JP3580525B2

JP3580525B2 - Polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP3580525B2
Application number: JP23476198A
Authority: JP
Inventors: 輝壽神原; 久朗行天; 一仁羽藤; 和史西田; 誠内田; 栄一安本; 靖菅原; 英夫小原; 敏宏松本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: JP2000067900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関するものであって、より詳しくは、外部マニホルド型燃料電池のマニホルドの構成の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、ガス拡散電極において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。
高分子電解質型燃料電池の一例を図２〜図４を用いて説明する。
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜３の両面に、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２が密着して配されている。この触媒反応層２の外面には、ガス通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層１が密着して配される。触媒反応層２とこの拡散層１とにより電極２３が構成される。また、電極２３と高分子電解質膜３はあらかじめ一体化して電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡとする）２４を構成している。
【０００３】
一般の高分子電解質型燃料電池においては、複数のＭＥＡ２４は、導電性のセパレータ板４を介して積層され、いわゆる積層電池を構成している。セパレータ板４は、隣接したＭＥＡ２４を機械的に固定するとともに、互いに電気的に直列に接続する。
電極２３の周囲には、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、互いに混合しないように、高分子電解質膜３を挟んで図２に示すシール材６や図３に示すガスケット８が配される。このシール材６やガスケット８は、あらかじめＭＥＡ２４と一体化されている。ガスケット８は、例えば樹脂や金属板からなり、電極２３と同程度の厚さを有し、対向して配されたセパレータ板４とガスケット８の隙間はグリースや接着剤でシールされる。
さらに近年では、図４に示すように、ＭＥＡ２４として、ガスシール性を必要とする部分にあらかじめシール効果を持つ樹脂１０をしみこませ、これを固化させることで、セパレータ板４との間にガスシール性を確保する方法も提案されている。
【０００４】
セパレータ板４のＭＥＡ２４と接触する部分には、電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給しかつ反応により生成したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路５が形成される。ガス流路５は、セパレータ板４と別に設けることもできるが、図２等に示すようにセパレータ板４の表面に溝を設けてガス流路５とする方式が一般的である。
積層電池では、この溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためは、これらのガスを供給する配管を、使用するセパレータ板４の数だけ分岐し、さらにその分岐先を直接セパレータ板４に形成された溝につなぎ込む機構が必要となる。また、各単電池へ冷却水を供給しかつ排出する機構も求められる。この機構をマニホルドと呼ぶ。これらマニホルドの配置形態により、内部マニホルド型と外部マニホルド型に分類される。このうち、電池外部に設けられた燃料ガス等の配管をセパレータ板４に形成されたガス流路５に直接接続するタイプを外部マニホルド型と呼ぶ。また、内部マニホルド型とは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガス等を供給するものである。
【０００５】
このうち、燃料ガスや冷却水の供給排出孔を積層電池内部に確保した、いわゆる内部マニホルド型が一般的である。しかしながら、都市ガスを改質して、水素化した実ガスを用いて電池を運転する場合、燃料ガス流路の下流域では、ＣＯ濃度が上昇する結果、電極が、ＣＯにより被毒され、これにより温度が低下し、その温度の低下がさらに電極被毒を促進させることがある。このような電池の性能を低下する現象を緩和するため、マニホルドから各単電池へのガスの供給排出部の間口をできるだけ広く取る構造として、外部マニホルド型が見直されている。
【０００６】
内部マニホルド型および外部マニホルド型のいずれを用いても、冷却部を含む複数の単電池を一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配し、その２枚の端板の間を締結ロッドで固定することが必要である。締め付け方式は、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けることが望ましい。機械的強度の観点から、端板や締結ロッドには通常、ステンレス鋼などの金属材料を用いる。これらの端板や締結ロッドと、積層電池とは、絶縁板により電気的に絶縁され、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造とする。締結ロッドについては、セパレータ板の内部の貫通孔の中を通す方法や、積層池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が提案されている。
【０００７】
また、図２、図３および図４に示したいずれのシール方式においても、シール性を維持しかつ電極とセパレータ板の間やセパレータ板同士間の接触抵抗を小さく保つため、恒常的な締め付け圧が必要である。そこで、締結ロッドと端板の間にスクリューバネや皿バネを挿入するなどの構成が採用されている。この締め付け圧力によって、セパレータ板、電極、電解質膜など電池の構成部材間の電気的接触が確保されている。
多くの燃料電池は、単電池を数多く重ねた積層構造を採っている。燃料電池運転時には電力とともに発生する熱を電池外に排出するために、積層電池では単電池１〜２セル毎に冷却板が配されている。冷却板としては薄い金属板の内部に冷却水などの熱媒体が貫流するような構造が一般的である。また、図２〜４に示すように、単電池を構成するセパレータ板４の背面、すなわち冷却水を流したい面に流路を形成し、セパレータ板４自体を冷却板として機能させる方法もある。その際、冷却水などの熱媒体をシールするためにＯリング７やガスケットも必要となるが、このシール方法では、Ｏリングを完全につぶすなどして冷却板の上下間で十分な導電性を確保する必要がある。
【０００８】
以上に示した燃料電池の構成では、水素ガスや空気などのガスをシールするため、電極の周囲にシール材やＯリングを配置する必要がある。この時、ＭＥＡには、シール剤を設置するための１０ｍｍ程度の糊代が必要になる。また、シール効果のある樹脂をＭＥＡに浸み込ませてシール部とする方法でも、５ｍｍ程度のシール幅が必要である。
燃料電池の小型化・省スペース化の為には、これらのシール幅はできるだけ小さくすることが必要である。さらにシール材やシール部を、上下のセパレータで挟み付ける必要があり、比較的大きな締め付け力を常に加えなければならない。そのため、端板や締め付けロッドなどの締め付け機構は、その規模や重量において大きくならざるを得ない。
シール材やＯリングを用いた方法や、樹脂を予めＭＥＡに浸み込ませてシールする方法では、シールのための部材や工程が必要となり、低コスト化のためにはさらなる工夫が望まれていた。また、固体高分子型燃料電池では、電解質膜と電極、および電極とセパレータ板が十分に圧接していることが必要であるが、これらの方法では、端板からの締め付け圧が電極部とシール部の両方に作用するため、十分な圧接力を加えるために、これらの厚さや形状の管理が難しいという問題点もある。
【０００９】
内部マニホルド型では、積み重ねたセパレータ板とＭＥＡに、反応ガスや冷却媒体の通る孔を直接設ける。電池の積層数や電力出力が大きくなってくると、この内部マニホルド孔を通って大量の流体を供給排出しなければならず、マニホルド部での圧損が大きくなる。そこで積層数の小さい燃料電池では、電池全体のコンパクト性を考慮して、孔径の小さいマニホルド孔にし、逆に積層数の大きい燃料電池では圧損を抑えるために孔径の大きなマニホルド孔にする必要がある。内部マニホルド型では、セパレータやＭＥＡの設計では、常に積層数を考慮しなければならないという、問題点があった。
内部マニホルド型燃料電池の場合、電池全体に恒常的な締め付け圧を加えているため、一般的にガスシールに対する信頼性は高い。一方、外部マニホルド型燃料電池の場合、マニホルドのフランジ面に接する積層電池の側面が、ＭＥＡやセパレータなどの薄板の積層体であるため、平滑なシール面が得難く、一般的には内部マニホルド型と比較してガスシールに対する信頼性が低い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型コンパクトであって、ガスシールの信頼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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜を挟んだ一対の電極を有し、一方の電極面に水素などの燃料を供給し、他方の電極面に酸素などを含む酸化剤ガスを供給する手段を有する構成を単電池とする。そしてこの単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層することで、高分子電解質型燃料電池のスタックを形成する。このとき、上記高分子電解質膜を挟んだ一対の電極の端部は、積層した高分子電解質型燃料電池の側表面に到達させておき、それぞれの単電池へのガスの供給排出は、積層した高分子電解質型燃料電池の側面に配したガスマニホルドを通じて行なう。
このとき、上記のガスマニホルドは、複数の単電池を積層して構成された電池スタックの長手方向に配置する。このような位置に配置すると、単電池それぞれへのガスの供給排出をより均一に行うことが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、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、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給分配しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備した単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、単電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出のためのガスマニホルドが、積層された燃料電池の外周に配され、単電池を相互に締め付けることで単電池間の接触抵抗を低減する働きを有する。
好ましくは、上記のガスマニホルドを弾性体で構成する。これによって、積層電池の積層方向の厚みのクリープを吸収し、かつ外部マニホルドのシール面と接する積層電池の側面の凹凸を吸収して、外部マニホルドのシールの信頼性を向上させることができる。
【００１３】
また、高分子電解質膜を挟んで一対の電極を有し、一方の電極面に水素などの燃料を供給し、他方の電極面に酸素などを含む酸化剤ガスを供給する手段を有する単電池が、導電性のセパレータを介して複数個積層され、それぞれの単電池へのガスの供給、排出は積層した高分子電解質型燃料電池の側面に配したガスマニホルドを通じて行なう高分子電解質型燃料電池であって、ガスマニホルドのガスシール面がフランジ状の形状を有しており、フランジ面にリング状の枠体を嵌合させ、枠体を電池方向に締め付けることによってガスマニホルドのシールを行うことを特徴とする。
【００１４】
また、高分子電解質膜を挟んで一対の電極を有し、一方の電極面に水素などの燃料を供給しかつ他方の電極面に酸素などを含む酸化剤ガスを供給する手段を有する単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、上記電極端部が積層した高分子電解質型燃料電池の側表面に達しており、積層した高分子電解質型燃料電池の側面をガス気密性の非導電性材料で覆うことにより、電極およびセパレータのガスシール性を付与し、さらに、それぞれの単電池へのガスの供給、排出は積層した高分子電解質型燃料電池の側面に配したガスマニホルドを通じて行なう高分子電解質型燃料電池において、ガスマニホルドとガス気密性の非導電性材料と同一材料で構成することにより、外部マニホルドのシール面と外部マニホルドのシール面と接する積層電池の側面の材料が同一であるため、熱膨張係数の違いによる外部マニホルドと外部マニホルドのシール面と接する積層電池の側面の接合性を損なうことなく、外部マニホルドのシールの信頼性を向上することができる。
【００１５】
また、高分子電解質膜を挟んで一対の電極を有し、一方の電極面に水素などの燃料を供給しかつ他方の電極面に酸素などを含む酸化剤ガスを供給する手段を有する単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、上記電極端部が積層した高分子電解質型燃料電池の側表面に達しており、積層した高分子電解質型燃料電池の側面をガス気密性の非導電性材料で覆うことにより、電極およびセパレータのガスシール性を付与し、さらに、それぞれの単電池へのガスの供給、排出は積層した高分子電解質型燃料電池の側面に配したガスマニホルドを通じて行なう高分子電解質型燃料電池において、ガスマニホルドはガス気密性の非導電性材料と同一材料で構成されており、ガス気密性の非導電性材料で覆った面に、ガスマニホルドを設置し、ガスマニホルドとガス気密性の非導電性材料を接合してガスシールを行うことにより、外部マニホルドのシール面と外部マニホルドのシール面と接する積層電池の側面を接合するため、外部マニホルドのシールの信頼性を向上させることができる。
【００１６】
上記のようなガスマニホルドとガス気密性の非導電性材料の接合に超音波溶着を用いると、外部マニホルドのシール面とそこに接する積層電池の側面を接合するため、外部マニホルドのシールの信頼性を向上することができる。
さらに、ガス気密性の非導電性材料が、射出成型などの手法によって成型することによって、積層電池の側面を精度良くモールドすることが可能となり、外部マニホルドのシールの信頼性を向上することができる。
また、高分子電解質膜を挟んで一対の電極を有し、一方の電極面に水素などの燃料を供給し、他方の電極面に酸素などを含む酸化剤ガスを供給する手段を有する単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、上記電極端部が積層した高分子電解質型燃料電池の側表面に達しており、積層した高分子電解質型燃料電池の側面をガス気密性の非導電性材料で覆うことにより、電極およびセパレータのガスシール性を付与し、さらに、それぞれの単電池へのガスの供給、排出は積層した高分子電解質型燃料電池の側面に配したガスマニホルドを通じて行なう高分子電解質型燃料電池において、ガスマニホルドとガス気密性の非導電性材料は、射出成型などの手法によって一体成型することによって、外部マニホルドと積層電池の側面の間に接合面が無くなり、外部マニホルドのシールの信頼性を向上することができる。
さらに、ガス気密性の非導電性材料が、樹脂またはゴムで形成されていることによって、電気絶縁性を保つことが可能であると同時に、ゴムを使用した場合には、積層電池の積層方向の厚みのクリープを吸収し、かつ外部マニホルドのシール面と接する積層電池の側面の凹凸を吸収して、全般的なシールの信頼性を向上することができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の参考例および好ましい実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
《参考例１》
粒径が数ミクロン以下のカーボン粉末を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によりカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。このときのカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。
一方、電極となる厚さ４００μｍのカーボンペーパーを、フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のネオフロンＮＤ−１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分加熱処理することで、カーボンペーパーに撥水性を付与した。つぎに撥水処理を施したカーボンペーパーの片面にカーボン粉末を含むスラリーを均一に塗布して触媒層２を形成し、電極２３を得た。
【００１９】
以上のようにして得られた電極２３を用いて、図１に示すような電池構成単位を組み立てた。
得られた電極２３を、長さおよび幅をともに１０ｃｍに裁断した。ついで、２枚の電極２３を、電極２３よりも一回り大きい長さおよび幅がともに１２ｃｍの高分子電解質膜３の両面に、その触媒層２を備えた面がそれぞれ高分子電解質膜３と向き合うようにし、高分子電解質膜３の中央に位置するようにして重ね合わせた。電極２３の周囲に高分子電解質膜３を挟んで、約３５０μｍの厚みのシリコンゴムのシートを配し、１００℃で５分間ホットプレスし、電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡとする）２４を得た。ここで、シリコンゴムは、電池に供給するガスがリークしたり、互いに混合するのを防ぐためのガスケットとして機能する。
【００２０】
得られたＭＥＡ２４の一対をセパレータ４と交互に重ね合わせた。セパレータ４は、厚さが４ｍｍのカーボン製で、気密性を有する。またそのＭＥＡ２４と接触させる表面には、幅が２ｍｍで深さが１ｍｍのガス流路５が切削加工により形成されている。また、セパレータ４の周縁部には、燃料ガスまたは酸化剤ガスのマニホルド孔１１が表裏を貫通して形成されている。なお、マニホルド孔１１は、ガス流路５の端部と連通している。また、同様に冷却水を循環させるためのマニホルド孔１２も同様に、セパレータ板４の表裏を貫通して形成されている。
なお、ＭＥＡ２４をセパレータ板４で挟み込む際、電極２３の周りにはセパレータ板４と同じ外寸のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製シート１３を配した。このＰＥＴシート１３は、ＭＥＡ２４周縁部のセパレータ板４と高分子電解質膜３の間のスペーサとして用いた。また、冷却流路２１のシール用にＯリング７は用いなかった。
【００２１】
このような電池構成単位を２５個すなわち５０セルを積層し、両端部にそれぞれ金属製の集電板、絶縁板および端板を順に重ね合わせて電池スタックを得た。ついで、この電池スタックの両端板間を締結ロッドで接続して電池スタックを固定した。この時の締結圧はセパレータ板の面積に対して１０ｋｇｆ／ｃｍ²とした。この５０セル電池モジュールに、燃料ガスと冷却水を通じたが、これらがＰＥＴシートとセパレータの隙間からリークして電池性能は得られなかった。
【００２２】
そこで、本参考例の電池では、内部マニホルド方式に代え、外部マニホルド方式で、これを電池スタックの長手方向、すなわちスタックの外寸の長辺に平行に配置する方法を試みた。その全体構成を図６に示す。
得られたＭＥＡ２４を、図５に示すセパレータ板４ａと４ｂの間およびセパレータ板４ｂと４ｃの間にそれぞれ挟み込んで電池構成単位を得た。
セパレータ４ａ、４ｂおよび４ｃは、いずれも厚さが４ｍｍのカーボン製で、気密性を有する。またその表面には、ガス流路５または冷却流路２１が形成されている。
図中セパレータ板４ａの上面およびセパレータ板４ｃの下面には、それぞれ冷却流路２１が形成されている。冷却流路２１の供給排出口１６は、セパレータ板４ａおよび４ｃの側面に開口している。セパレータ４ａの下面、４ｂの両面および４ｃの上面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させるためのガス流路５が形成されている。ガス流路５は、切削加工により形成されたもので、その幅は２ｍｍで深さは１ｍｍである。燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路５の供給排出口１４および１５もまた、冷却水の供給排出口１６と同様に、各セパレータ板の側面に開口している。セパレータ４ａ〜４ｃには、内部マニホルド方式のようなマニホルドを設けず、ガス流路５または冷却流路２１のみを全面に配置した。ガス流路５の供給口と排出口すなわち一対の供給排出口１４または１５は、互いに対向する辺に配した。なお、単電池を積層する際、対向する側面に外部マニホルドが位置するように、水素ガスの供給排出口１４、空気の供給排出口１５および冷却水の供給排出口１６を配置した。
【００２３】
本実施例の電極の構成は、ＰＥＴシートを用いずに、触媒反応層２が形成されたカーボンペーパーとカーボンセパレータを同じ外寸とし、積層時に電極端部が電池の側面に達している構造の電池を作製した。単電池を２セル積層した後、冷却部を積層するパターンで、５０セルを積層した電池モジュールを組み立てた。冷却部のシールには、Ｏリングを用いなかった。なお、外部マニホルド方式であることから、集電板、絶縁板および端板には、流体の供給排出口を設ける必要はなかった。電池モジュール締結のための締結ロッド部は、ガスの給排出口が開いている側面とは異なる側面に設けた。
次に、モジュールの側表面をシール材としてのフェノール樹脂で覆った。この時、ガスの給排出口１４および１５と、冷却水の給排出口１６がシール材により閉塞されないようにした。また、外部マニホルドのシール面と接する部分は、できるだけ平滑な面が得られるよう注意してフェノール樹脂を塗布した。
【００２４】
つぎに図６のように、ＳＵＳ製の半円筒状の外部マニホルド１７を電池モジュール側面から、燃料ガスの供給排出口１４、酸化剤ガスの供給排出口１５、および冷却水の供給排出口１６のそれぞれの列を覆い、電池スタック２５の長手方向に配置するように配した。なお、外部マニホルド１７は端板部ビス１８で固定した。また、外部マニホルド１７と電池スタック２５の側表面を覆うシール材との間のマニホルドシール１９は、独立気泡を有するのＥＰＤＭシートを所定の外部マニホルドシール面の形にカットしてガスケットとしたものである。
【００２５】
この５０セル積層電池に、水素と空気を通じ、冷却水を循環させて電池試験を行った。水素利用率７０％、酸素利用率２０％、水素加湿バブラー温度８５℃、酸素加湿バブラー温度７５℃、電池温度７５℃の条件での電池出力は、１０２０Ｗ（３０Ａ−３５Ｖ）であった。外部マニホルドシール部からのガスリークも測定したがリークは検出できず、良好なシール性が得られることが分かった。
この参考例では、固体高分子型燃料電池の側面全域にシール材を配する方法を採ることで、従来、溶融炭酸塩型などの燃料電池で用いられた外部マニホルド方式が、容易に実現出来ることを示した。
また、本参考例で示した構成をとると、マニホルド部と電池積層部とを別々に製造することができる。これにより、例えば燃料電池の用途、出力規模によらず同一形状のセパレータ、電極・電解質体からなる電池積層部を大量に規格生産し、マニホルド部は用途、出力規模に応じて製造することを可能とし、コスト削減に寄与できることを示した。
【００２６】
《実施例１》
本実施例では、参考例１のガスマニホルドと同様に機能するガスマニホルド２０を、図７に示すように高分子電解質型燃料電池スタック２５の外周に配置した。これにより、電池スタック２５内の単電池を相互に締め付けることで単電池間の接触抵抗を低減することができる。
なお、本実施例の電池の構成は、ガスマニホルドの設置方法以外は全て参考例１の電池と同一である。
この構成のモジュール電池を参考例１と同一条件で評価した結果、１２００Ｗ（３０Ａ−４０Ｖ）の出力が得られた。これは、本実施例のモジュール電池は、参考例１の電池や、ＰＥＴシートなどのスペーサを用いた電池よりも高い性能を示すことがわかる。この理由は、ガスマニホルドを、高分子電解質型燃料電池スタックの外周に配置し、単電池を相互に締め付けることで単電池間の接触抵抗を低減することが出来たためである。
【００２７】
《参考例２》
本参考例では、実施例１と同様の構成の電池モジュールにおいて、周りの環境が変化したときの電池出力特性の安定性に及ぼすガスマニホルドの影響を評価した。
本参考例で用いた電池は、実施例１で用いた電池において、図７に示したガスマニホルド２０の取り付け面積を変化させたものである。また、ガスマニホルド２０の材質を変え、ガスマニホルドの熱伝導率と電池出力の安定性の関係を評価した。その結果を図８に示す。
図８において、縦軸は、電池モジュールの出力電力を示し、また横軸は運転時間を示した。面積とは、取り付ける電池モジュールの側面積を１００としたときのガスマニホルドの面積％を示した。また、図中ＳＵＳは、実施例１と同じＳＵＳ製のガスマニホルド２０を用いたもので、Ｎｉ／Ｃｕとはニッケルでメッキした銅を用いたものである。電池の性能評価は、電池モジュールに水素と空気を通じ、冷却水を循環させて電池試験を行った。このとき、水素利用率７０％、酸素利用率２０％、水素加湿バブラー温度８５℃、酸素加湿バブラー温度７５℃とし、電池モジュールを設置した外部雰囲気の気温を、５℃で１２時間−４０℃で１２時間とする環境サイクルとした。また、冷却水の温度は、外部雰囲気の気温温度と同期させてそれぞれ５℃で１２時間−２５℃で１２時間とした。
その結果、電池モジュールを設置した環境温度が変化するような実地試験においては、ガスマニホルドの面積が大きいほど、長期安定性が向上した。また、その材質がＳＵＳ製より、熱伝導性に優れたニッケルでメッキした銅製のものの方が優れていた。この原因は、外部環境が比較的高温の時、ガスマニホルドが放熱作用をしたことによる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によると、外部マニホルドのシールの信頼性の向上と、組立工程の簡略化が図れる。さらに機械的強度を増したり、端板等の締結部が簡素化され、長期安定性をもたらす。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の高分子電解質型燃料電池の構成を示す一部を切り欠いた斜視図である。
【図２】従来の高分子電解質型燃料電池のシール部の一例を示す縦断面図である。
【図３】従来の高分子電解質型燃料電池のシール部の他の例を示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施例の高分子電解質型燃料電池のシール部の縦断面図である。
【図５】本発明の参考例および実施例の高分子電解質型燃料電池に用いたセパレータ板の斜視図である。
【図６】本発明の参考例および実施例の高分子電解質型燃料電池を示す斜視図である。
【図７】本発明の参考例および実施例の高分子電解質型燃料電池を示す斜視図である。
【図８】本発明の参考例の高分子電解質型燃料電池の出力特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１拡散層
２触媒反応層
３高分子電解質膜
４、４ａ、４ｂ、４ｃセパレータ板
５ガス流路
６シール材
７Ｏリング
８ガスケット
１０樹脂
１１ガスのマニホルド孔
１２冷却水のマニホルド孔
１３ポリエチレンテレフタラート製シート
１４燃料ガスの供給排出口
１５酸化剤ガスの供給排出口
１６冷却水の供給排出口
１７外部マニホルド
１８端板部ビス
１９マニホルドシール
２０バンド型マニホルド
２１冷却流路
２３電極
２４電極電解質膜接合体
２５電池スタック[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell used in a portable power supply, a power supply for an electric vehicle, a cogeneration system in a home, and the like, particularly to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a structure of a manifold of an external manifold fuel cell. Regarding improvement.
[0002]
[Prior art]
A polymer electrolyte fuel cell generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen such as air at a gas diffusion electrode. is there.
An example of a polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS.
On both surfaces of a polymer electrolyte membrane 3 for selectively transporting hydrogen ions, a catalytic reaction layer 2 mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is arranged in close contact. On the outer surface of the catalytic reaction layer 2, a diffusion layer 1 having both gas permeability and electronic conductivity is closely arranged. An electrode 23 is constituted by the catalyst reaction layer 2 and the diffusion layer 1. The electrode 23 and the polymer electrolyte membrane 3 are integrated in advance to form an electrode electrolyte membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 24.
[0003]
In a general polymer electrolyte fuel cell, a plurality of MEAs 24 are stacked via a conductive separator plate 4 to constitute a so-called stacked battery. The separator plate 4 mechanically fixes the adjacent MEAs 24 and electrically connects them in series.
Around the electrode 23, the sealing material 6 shown in FIG. 2 and the gasket 8 shown in FIG. Is arranged. The sealing material 6 and the gasket 8 are integrated with the MEA 24 in advance. The gasket 8 is made of, for example, a resin or a metal plate, has a thickness similar to that of the electrode 23, and the gap between the separator plate 4 and the gasket 8 that are arranged to face each other is sealed with grease or an adhesive.
In recent years, as shown in FIG. 4, as the MEA 24, a resin 10 having a sealing effect is previously impregnated into a portion requiring gas sealing properties, and is solidified to form a gas seal between the MEA 24 and the separator plate 4. A method for ensuring performance has also been proposed.
[0004]
A gas flow path 5 for supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the electrode surface and carrying away a gas generated by the reaction and an excess gas is formed in a portion of the separator plate 4 in contact with the MEA 24. Although the gas flow path 5 can be provided separately from the separator plate 4, a gas flow path 5 is generally formed by providing a groove on the surface of the separator plate 4 as shown in FIG.
In the stacked battery, in order to supply the fuel gas and the oxidizing gas to the grooves, the pipes for supplying these gases are branched by the number of the separator plates 4 to be used, and the branch destination is formed directly on the separator plate 4. A mechanism for connecting to the formed groove is required. Further, a mechanism for supplying and discharging cooling water to each cell is also required. This mechanism is called a manifold. These manifolds are classified into an internal manifold type and an external manifold type according to the arrangement form. Among them, a type in which a pipe for fuel gas or the like provided outside the battery is directly connected to a gas flow path 5 formed in the separator plate 4 is called an external manifold type. In the internal manifold type, a through hole is provided in a separator plate in which a gas flow path is formed, an inlet / outlet of the gas flow path is passed to this hole, and a fuel gas or the like is supplied directly from this hole.
[0005]
Among them, a so-called internal manifold type in which a supply / discharge hole for fuel gas or cooling water is secured inside the stacked battery is generally used. However, when the cell is operated using the actual gas obtained by reforming the city gas and hydrogenating, the electrode is poisoned by CO as a result of the increase in the CO concentration in the downstream region of the fuel gas flow path. As a result, the temperature decreases, and the decrease in the temperature may further promote electrode poisoning. In order to alleviate such a phenomenon of lowering the performance of the battery, an external manifold type has been reconsidered as a structure in which a frontage of a gas supply / discharge unit from the manifold to each unit cell is made as large as possible.
[0006]
Regardless of whether the internal manifold type or the external manifold type is used, a plurality of cells including a cooling unit are stacked in one direction, a pair of end plates are arranged at both ends, and the two end plates are fixed with a fastening rod. It is necessary to. As for the tightening method, it is desirable that the unit cells be tightened as uniformly as possible in the plane. From the viewpoint of mechanical strength, a metal material such as stainless steel is usually used for the end plate and the fastening rod. These end plates and fastening rods and the stacked battery are electrically insulated by an insulating plate, and have a structure in which current does not leak outside through the end plate. As for the fastening rod, a method of passing through a through hole inside the separator plate and a method of fastening the entire lamination pond with a metal belt over an end plate have been proposed.
[0007]
Also, in any of the sealing methods shown in FIGS. 2, 3 and 4, a constant tightening pressure is required to maintain the sealing property and keep the contact resistance between the electrode and the separator plate or between the separator plates small. It is. Therefore, a configuration is adopted in which a screw spring or a disc spring is inserted between the fastening rod and the end plate. This tightening pressure ensures electrical contact between components of the battery, such as the separator plate, electrodes, and electrolyte membrane.
Many fuel cells have a stacked structure in which a number of cells are stacked. In the case of a fuel cell, a cooling plate is provided for every one or two cells of a unit cell in order to discharge heat generated together with electric power to the outside of the cell. The cooling plate generally has a structure in which a heat medium such as cooling water flows through a thin metal plate. As shown in FIGS. 2 to 4, there is also a method in which a flow path is formed on the back surface of the separator plate 4 constituting the unit cell, that is, the surface on which the cooling water is to flow, and the separator plate 4 itself functions as a cooling plate. At that time, an O-ring 7 and a gasket are also required to seal a heat medium such as cooling water. However, in this sealing method, the O-ring is completely crushed to provide sufficient conductivity between the upper and lower sides of the cooling plate. Need to secure.
[0008]
In the configuration of the fuel cell described above, it is necessary to dispose a sealing material and an O-ring around the electrode in order to seal a gas such as hydrogen gas or air. At this time, the MEA requires a margin of about 10 mm for installing the sealant. Further, even in a method in which a resin having a sealing effect is immersed in MEA to form a sealing portion, a sealing width of about 5 mm is required.
In order to reduce the size and space of the fuel cell, it is necessary to make these seal widths as small as possible. Further, it is necessary to sandwich the seal material and the seal portion between the upper and lower separators, and a relatively large tightening force must always be applied. Therefore, the tightening mechanism such as the end plate and the tightening rod must be large in size and weight.
In a method using a sealing material or an O-ring, or a method in which a resin is immersed in a MEA in advance to seal, a member and a step for sealing are required, and further measures are desired for cost reduction. Was. Further, in a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary that the electrolyte membrane and the electrode, and the electrode and the separator plate are sufficiently pressed against each other, but in these methods, the tightening pressure from the end plate is applied to the electrode portion and the seal. There is also a problem that it is difficult to control the thickness and shape of these parts in order to apply a sufficient pressure contact force because they act on both parts.
[0009]
In the internal manifold type, the stacked separator plates and MEAs are directly provided with holes through which a reaction gas and a cooling medium pass. As the number of stacked batteries and the power output increase, a large amount of fluid must be supplied and discharged through the internal manifold holes, and the pressure loss in the manifold section increases. Therefore, in a fuel cell with a small number of stacks, it is necessary to use a manifold hole with a small hole diameter in consideration of the compactness of the whole cell, and conversely, in a fuel cell with a large number of stacks, it is necessary to use a manifold hole with a large hole diameter to suppress pressure loss. . In the case of the internal manifold type, there is a problem that the number of laminations must always be considered in the design of the separator and the MEA.
In the case of an internal manifold type fuel cell, since a constant tightening pressure is applied to the entire cell, the reliability of the gas seal is generally high. On the other hand, in the case of an external manifold type fuel cell, since the side surface of the laminated cell in contact with the flange surface of the manifold is a laminated body of a thin plate such as an MEA or a separator, it is difficult to obtain a smooth sealing surface. The reliability of the gas seal is lower than that of the gas seal.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that is small and compact and has excellent gas seal reliability.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a pair of electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane, supplies fuel such as hydrogen to one electrode surface, and oxidant gas containing oxygen or the like to the other electrode surface. Is a unit cell having a means for supplying the same. Then, by stacking a plurality of the unit cells via a conductive separator, a stack of a polymer electrolyte fuel cell is formed. At this time, the ends of the pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane were allowed to reach the side surfaces of the stacked polymer electrolyte fuel cells, and the supply and discharge of gas to each cell were performed by stacking. This is performed through a gas manifold disposed on the side of the polymer electrolyte fuel cell.
At this time, the gas manifold is arranged in a longitudinal direction of a battery stack configured by stacking a plurality of unit cells. By arranging in such a position, the supply and discharge of gas to each unit cell can be performed more uniformly.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
High molecular electrolyte fuel cell of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes having a catalytic reaction layer disposed to sandwich the solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas containing hydrogen to one electrode A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of cells having supply and distribution means and a means for supplying and distributing an oxidizing gas containing oxygen to the other are stacked with a plurality of cells interposed therebetween via a conductive separator, A gas manifold for supplying and discharging the fuel gas and the oxidizing gas is arranged on the outer periphery of the stacked fuel cells, and has a function of reducing the contact resistance between the cells by mutually tightening the cells.
Preferably, the gas manifold is made of an elastic material. As a result, the creep of the thickness of the stacked battery in the stacking direction can be absorbed, and the unevenness of the side surface of the stacked battery in contact with the sealing surface of the external manifold can be absorbed, so that the reliability of the seal of the external manifold can be improved.
[0013]
Further, a unit cell having a pair of electrodes with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, supplying a fuel such as hydrogen to one electrode surface, and supplying an oxidizing gas containing oxygen or the like to the other electrode surface is known. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of cells are stacked via a conductive separator, and gas is supplied to and discharged from each unit cell through a gas manifold disposed on the side of the stacked polymer electrolyte fuel cell. The gas seal surface of the gas manifold has a flange-like shape, and a ring-shaped frame is fitted to the flange surface, and the gas manifold is sealed by tightening the frame in the battery direction. And
[0014]
Further, there is provided a unit cell having a pair of electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane, having a means for supplying a fuel such as hydrogen to one electrode surface, and a means for supplying an oxidizing gas containing oxygen or the like to the other electrode surface. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked with a conductive separator interposed therebetween, wherein the electrode ends reach the side surfaces of the stacked polymer electrolyte fuel cells, By covering the sides of the battery with a gas-tight non-conductive material, the electrodes and the separator are provided with gas sealing properties, and the supply and discharge of gas to and from each unit cell are performed by stacking a polymer electrolyte fuel cell. In the polymer electrolyte fuel cell, which is performed through the gas manifold disposed on the side surface of the gas manifold, the gas manifold and the gas-tight non-conductive material are made of the same material, so that the sealing surface of the external manifold can be improved. Since the material of the side surface of the stacked battery in contact with the sealing surface of the outer manifold is the same, the external manifold due to the difference in the coefficient of thermal expansion and the joining property of the side surface of the stacked battery in contact with the sealing surface of the outer manifold are not impaired. The reliability of the seal can be improved.
[0015]
Further, there is provided a unit cell having a pair of electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane, having a means for supplying a fuel such as hydrogen to one electrode surface, and a means for supplying an oxidizing gas containing oxygen or the like to the other electrode surface. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked with a conductive separator interposed therebetween, wherein the electrode ends reach the side surfaces of the stacked polymer electrolyte fuel cells, By covering the sides of the battery with a gas-tight non-conductive material, the electrodes and the separator are provided with gas sealing properties, and the supply and discharge of gas to and from each unit cell are performed by stacking a polymer electrolyte fuel cell. In a polymer electrolyte fuel cell that is performed through a gas manifold disposed on the side of the gas, the gas manifold is made of the same material as the gas-tight non-conductive material, and is covered with the gas-tight non-conductive material. A gas manifold is installed on the surface, and the gas manifold and the gas-tight non-conductive material are joined to perform gas sealing, thereby joining the outer manifold sealing surface and the side surface of the stacked battery in contact with the outer manifold sealing surface. Therefore, the reliability of the seal of the external manifold can be improved.
[0016]
When ultrasonic welding is used to join the gas manifold and the gas-tight non-conductive material as described above, the external manifold seal surface is joined to the side surface of the laminated battery in contact therewith, so the external manifold seal reliability is reduced. Can be improved.
Furthermore, by molding a gas-tight non-conductive material by a method such as injection molding, it is possible to accurately mold the side surface of the laminated battery, and it is possible to improve the reliability of the seal of the external manifold. .
Further, there is provided a unit cell having a pair of electrodes with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, supplying a fuel such as hydrogen to one electrode surface, and supplying an oxidizing gas containing oxygen or the like to the other electrode surface. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked with a conductive separator interposed therebetween, wherein the electrode ends reach the side surfaces of the stacked polymer electrolyte fuel cells, By covering the sides of the battery with a gas-tight non-conductive material, the electrodes and the separator are provided with gas sealing properties, and the supply and discharge of gas to and from each unit cell are performed by stacking a polymer electrolyte fuel cell. In a polymer electrolyte fuel cell, which is performed through a gas manifold disposed on the side of the gas manifold, the gas manifold and the gas-tight non-conductive material are integrally formed by injection molding or the like to form an external device. Nihorudo and there is no joint surface between the side surface of the stacked cell, it is possible to improve the sealing of the reliability of the external manifold.
Furthermore, since the gas-tight non-conductive material is formed of resin or rubber, it is possible to maintain the electrical insulation property, and at the same time, when rubber is used, the stacking direction of the stacked battery is reduced. By absorbing the creep of the thickness and the unevenness on the side surface of the laminated battery in contact with the sealing surface of the external manifold, the overall sealing reliability can be improved.
[0017]
【Example】
Hereinafter, reference examples and preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
<< Reference Example 1 >>
A carbon powder having a particle size of several microns or less was immersed in an aqueous chloroplatinic acid solution, and a platinum catalyst was supported on the surface of the carbon powder by a reduction treatment. At this time, the weight ratio of carbon to the supported platinum was 1: 1. Next, the carbon powder carrying platinum was dispersed in an alcohol solution of a polymer electrolyte to form a slurry.
On the other hand, carbon paper having a thickness of 400 μm serving as an electrode is impregnated with an aqueous dispersion of a fluororesin (NEOFLON ND-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), which is then dried and heat-treated at 400 ° C. for 30 minutes. This imparted water repellency to the carbon paper. Next, a slurry containing carbon powder was uniformly applied to one side of the water-repellent carbon paper to form the catalyst layer 2, and the electrode 23 was obtained.
[0019]
Using the electrode 23 obtained as described above, a battery constituent unit as shown in FIG. 1 was assembled.
The obtained electrode 23 was cut into both a length and a width of 10 cm. Next, the two electrodes 23 are arranged on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 3 having a length and width both larger than the electrodes 23 and both being 12 cm, and the surfaces provided with the catalyst layers 2 face the polymer electrolyte membrane 3 respectively. Then, they were superposed so as to be located at the center of the polymer electrolyte membrane 3. A sheet of silicon rubber having a thickness of about 350 μm is placed around the electrode 23 with the polymer electrolyte membrane 3 interposed therebetween, and hot pressed at 100 ° C. for 5 minutes to form an electrode electrolyte membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 24. Obtained. Here, the silicon rubber functions as a gasket for preventing gas supplied to the battery from leaking or mixing with each other.
[0020]
A pair of the obtained MEAs 24 was alternately overlapped with the separator 4. The separator 4 is made of carbon having a thickness of 4 mm and has airtightness. In addition, a gas channel 5 having a width of 2 mm and a depth of 1 mm is formed on the surface to be brought into contact with the MEA 24 by cutting. Further, a manifold hole 11 for a fuel gas or an oxidizing gas is formed in the peripheral portion of the separator 4 so as to penetrate the front and back surfaces. Note that the manifold hole 11 communicates with an end of the gas flow path 5. Similarly, a manifold hole 12 for circulating cooling water is also formed through the front and back of the separator plate 4.
When the MEA 24 was sandwiched between the separator plates 4, a polyethylene terephthalate (PET) sheet 13 having the same outer dimensions as the separator plates 4 was arranged around the electrodes 23. This PET sheet 13 was used as a spacer between the separator plate 4 and the polymer electrolyte membrane 3 at the periphery of the MEA 24. Further, the O-ring 7 was not used for sealing the cooling channel 21.
[0021]
A battery stack was obtained by stacking 25 such battery constituent units, that is, 50 cells, and stacking a metal current collector plate, an insulating plate, and an end plate on both ends in this order. Next, the battery stack was fixed by connecting both end plates of the battery stack with fastening rods. The fastening pressure at this time was 10 kgf / cm ² with respect to the area of the separator plate. Although fuel gas and cooling water were passed through the 50-cell battery module, they leaked from the gap between the PET sheet and the separator, and battery performance was not obtained.
[0022]
Therefore, in the battery of the present reference example, instead of the internal manifold type, an external manifold type was used, and a method of arranging the batteries in the longitudinal direction of the battery stack, that is, in parallel with the long side of the outer dimension of the stack was tried. FIG. 6 shows the overall configuration.
The obtained MEA 24 was sandwiched between the separator plates 4a and 4b and between the separator plates 4b and 4c shown in FIG. 5 to obtain a battery constituent unit.
Each of the separators 4a, 4b and 4c is made of carbon having a thickness of 4 mm and has airtightness. Further, the gas flow path 5 or the cooling flow path 21 is formed on the surface.
In the drawing, cooling channels 21 are formed on the upper surface of the separator plate 4a and the lower surface of the separator plate 4c, respectively. The supply / discharge port 16 of the cooling channel 21 is open on the side surface of the separator plates 4a and 4c. On the lower surface of the separator 4a, on both surfaces of 4b and on the upper surface of 4c, gas flow paths 5 for flowing a fuel gas or an oxidizing gas are formed. The gas flow path 5 is formed by cutting, and has a width of 2 mm and a depth of 1 mm. The supply outlets 14 and 15 of the fuel gas and oxidant gas gas flow paths 5 also open to the side surfaces of the respective separator plates, similarly to the supply and outlet 16 of the cooling water. The separators 4a to 4c were not provided with a manifold such as the internal manifold type, and only the gas flow path 5 or the cooling flow path 21 was disposed on the entire surface. The supply port and the discharge port of the gas flow path 5, that is, the pair of the supply and discharge ports 14 or 15, were arranged on the sides facing each other. When stacking the cells, the hydrogen gas supply / discharge port 14, the air supply / discharge port 15 and the cooling water supply / discharge port 16 were arranged such that the external manifolds were located on the opposite side surfaces.
[0023]
The configuration of the electrode according to the present embodiment has a structure in which the carbon paper on which the catalytic reaction layer 2 is formed and the carbon separator have the same outer dimensions without using a PET sheet, and the electrode ends reach the side surfaces of the battery during lamination. A battery was manufactured. After laminating two single cells, a battery module having 50 cells laminated in a pattern of laminating cooling units was assembled. No O-ring was used to seal the cooling section. In addition, because of the external manifold system, it was not necessary to provide a fluid supply / discharge port on the current collector plate, the insulating plate, and the end plate. The fastening rod portion for fastening the battery module was provided on a side different from the side where the gas supply / discharge port was open.
Next, the side surface of the module was covered with a phenol resin as a sealing material. At this time, the gas supply / discharge ports 14 and 15 and the cooling water supply / discharge port 16 were prevented from being blocked by the sealing material. A phenol resin was applied to the portion of the outer manifold that was in contact with the sealing surface so as to obtain as smooth a surface as possible.
[0024]
Next, as shown in FIG. 6, a SUS semi-cylindrical external manifold 17 is connected to the fuel gas supply / discharge port 14, the oxidant gas supply / discharge port 15, and the cooling water supply / discharge port 16 from the side of the battery module. Each row was covered so as to be arranged in the longitudinal direction of the battery stack 25. The external manifold 17 was fixed with an end plate screw 18. The manifold seal 19 between the outer manifold 17 and the sealing material covering the side surface of the battery stack 25 is a gasket obtained by cutting an EPDM sheet having closed cells into a predetermined shape of the outer manifold seal surface. is there.
[0025]
A battery test was performed by circulating cooling water through hydrogen and air through the 50-cell stacked battery. The battery output under the conditions of a hydrogen utilization rate of 70%, an oxygen utilization rate of 20%, a hydrogen humidifier bubbler temperature of 85 ° C., an oxygen humidifier bubbler temperature of 75 ° C., and a battery temperature of 75 ° C. was 1020 W (30 A-35 V). Gas leakage from the external manifold seal was also measured, but no leak was detected, indicating good sealing performance.
In this reference example, by adopting a method of arranging a sealing material on the entire side surface of the polymer electrolyte fuel cell, the external manifold method conventionally used in a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell can be easily realized. showed that.
Also, taking the structure described in this reference example, it is possible to manufacture the manifold portion and the cell stack section separately. This makes it possible, for example, to mass-produce battery stacks consisting of separators, electrodes and electrolytes of the same shape regardless of the fuel cell application and output scale, and manufacture the manifold section according to the application and output scale. And showed that it can contribute to cost reduction.
[0026]
<< Example 1 >>
In the present embodiment, the gas manifold 20 that functions in the same manner as the gas manifold of Reference Example 1 was arranged on the outer periphery of the polymer electrolyte fuel cell stack 25 as shown in FIG. Thereby, the contact resistance between the cells can be reduced by mutually tightening the cells in the battery stack 25.
The configuration of the battery of this embodiment is the same as that of the battery of Reference Example 1 except for the method of installing the gas manifold.
As a result of evaluating the module battery having this configuration under the same conditions as in Reference Example 1, an output of 1200 W (30 A to 40 V) was obtained. This indicates that the module battery of the present example shows higher performance than the battery of Reference Example 1 and the battery using a spacer such as a PET sheet. The reason for this is that the contact resistance between the cells can be reduced by arranging the gas manifold on the outer periphery of the polymer electrolyte fuel cell stack and tightening the cells together.
[0027]
<< Reference Example 2 >>
In the present reference example, the effect of the gas manifold on the stability of the battery output characteristics when the surrounding environment is changed was evaluated in the battery module having the same configuration as that of the first embodiment.
The battery used in the present reference example is different from the battery used in the first embodiment in that the mounting area of the gas manifold 20 shown in FIG. 7 is changed. The relationship between the thermal conductivity of the gas manifold and the stability of the battery output was evaluated by changing the material of the gas manifold 20. FIG. 8 shows the result.
In FIG. 8, the vertical axis represents the output power of the battery module, and the horizontal axis represents the operation time. The area indicates the area% of the gas manifold when the side area of the battery module to be attached is 100. In the drawing, SUS uses the same SUS gas manifold 20 as in the first embodiment, and Ni / Cu uses copper plated with nickel. The battery performance was evaluated by passing hydrogen and air through the battery module and circulating cooling water. At this time, the hydrogen utilization rate was 70%, the oxygen utilization rate was 20%, the hydrogen humidification bubbler temperature was 85 ° C., the oxygen humidification bubbler temperature was 75 ° C., and the temperature of the external atmosphere where the battery module was installed was 5 ° C. for 12 hours at −40 ° C. The environment cycle was set to 12 hours. The temperature of the cooling water was set at 5 ° C. for 12 hours and at −25 ° C. for 12 hours in synchronization with the temperature of the external atmosphere.
As a result, in a field test in which the environmental temperature at which the battery module was installed was changed, the longer the area of the gas manifold was, the better the long-term stability was. Also, the material made of copper plated with nickel, which has excellent thermal conductivity, was superior to the material made of SUS. This is due to the fact that the gas manifold radiated heat when the external environment was relatively hot.
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, the reliability of the seal of the external manifold can be improved, and the assembling process can be simplified. Further, the mechanical strength is increased, and the fastening parts such as end plates are simplified, thereby providing long-term stability.
[0029]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a seal portion of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing another example of a seal portion of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a seal portion of the polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a separator plate used in a polymer electrolyte fuel cell according to Reference Examples and Examples of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a polymer electrolyte fuel cell according to a reference example and an example of the present invention .
FIG. 7 is a perspective view showing a polymer electrolyte fuel cell according to a reference example and an example of the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing output characteristics of a polymer electrolyte fuel cell according to a reference example of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diffusion layer 2 Catalytic reaction layer 3 Polymer electrolyte membrane 4, 4a, 4b, 4c Separator plate 5 Gas flow path 6 Seal material 7 O-ring 8 Gasket 10 Resin 11 Gas manifold hole 12 Cooling water manifold hole 13 Polyethylene terephthalate Sheet 14 Fuel gas supply / discharge port 15 Oxidant gas supply / discharge port 16 Cooling water supply / discharge port 17 External manifold 18 End plate screw 19 Manifold seal 20 Band type manifold 21 Cooling channel 23 Electrode 24 Electrode electrolyte membrane bonding Body 25 Battery stack

Claims

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有する燃料ガスを供給分配しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備した単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した高分子電解質型燃料電池であって、前記単電池への前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給排出のためのガスマニホルドが、積層された前記燃料電池の外周に配され、前記単電池を相互に締め付けることで前記単電池間の接触抵抗を低減する働きを有する高分子電解質型燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes having a catalytic reaction layer disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and supplying and distributing a fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes and containing oxygen to the other A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of cells having means for supplying and distributing an oxidizing gas are stacked via a conductive separator, wherein the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the cells. A polymer electrolyte fuel cell having a gas manifold for supplying and discharging fuel cells, which is arranged on the outer periphery of the stacked fuel cells and has a function of reducing the contact resistance between the cells by tightening the cells together. .