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JP2000090956A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number
JP2000090956A
JP2000090956A JP10262603A JP26260398A JP2000090956A JP 2000090956 A JP2000090956 A JP 2000090956A JP 10262603 A JP10262603 A JP 10262603A JP 26260398 A JP26260398 A JP 26260398A JP 2000090956 A JP2000090956 A JP 2000090956A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
fuel cell
gas
electrolyte
polymer electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10262603A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuyuki Inoue
和之 井上
Masahiko Asaoka
賢彦 朝岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP10262603A priority Critical patent/JP2000090956A/en
Publication of JP2000090956A publication Critical patent/JP2000090956A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の組み立て作業を容易に行うことが
できると共に、各単電池に均一な締め付け圧力を付与す
ることができ、しかも保守作業が容易な固体高分子型燃
料電池を提供すること。 【解決手段】 固体高分子電解質膜44の両面に一対の
ガス拡散電極46、46が接合された電極・電解質接合
体42を、ガス流路52eを備えた凸型挟持体52及び
ガス流路54eを備えた凹型挟持体54で挟持すると共
に、隣接する凸型挟持体52及び凹型挟持体54同士
を、ネジ止めによる螺合手段により締結して単電池50
とする。さらに、この工程を繰り返すことにより、所定
数の単電池50が数積層された固体高分子型燃料電池4
0を得る。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell capable of easily assembling a fuel cell, applying a uniform tightening pressure to each cell, and easily performing maintenance work. To provide. SOLUTION: An electrode-electrolyte assembly 42 in which a pair of gas diffusion electrodes 46, 46 are joined to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 44 is provided with a convex sandwiching body 52 having a gas channel 52e and a gas channel 54e. And the adjacent convex-type holding body 52 and the concave-type holding body 54 are fastened to each other by screwing means using screws.
And Further, by repeating this process, the polymer electrolyte fuel cell 4 in which a predetermined number of unit cells 50 are stacked several times
Get 0.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【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、さらに詳しくは、車載動力源、定置型の小
型発電器等に好適な固体高分子型燃料電池に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell suitable for a vehicle-mounted power source, a stationary small generator, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、電解質として
固体高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」という)
を用いる燃料電池であり、出力密度が高いこと、構造が
単純であること、動作温度が比較的低いこと、静粛性が
あること、等の特徴を有していることから、従来から宇
宙開発用あるいは軍用の電源として用いられている。ま
た、燃料電池は、水素を燃料として用いた場合には、本
質的には窒素酸化物及び炭酸ガスを排出しないことか
ら、近年では、自動車用の低公害動力源としても注目さ
れているものである。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane (hereinafter simply referred to as "electrolyte membrane") as an electrolyte.
Fuel cells that use high power density, have a simple structure, have a relatively low operating temperature, and are quiet. Or it is used as a military power supply. In addition, fuel cells, which use hydrogen as fuel, do not emit nitrogen oxides and carbon dioxide gas in essence, and have recently attracted attention as low-pollution power sources for automobiles. is there.

【0003】図8に、固体高分子型燃料電池の基本構造
の一例を示す。図8において、固体高分子型燃料電池の
発電単位となる単電池2は、電解質膜12の両面に一対
のガス拡散電極14、16を接合した電極・電解質接合
体10を、セパレータ18、18で挟んだ構造をとって
いる。
FIG. 8 shows an example of the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 8, a unit cell 2 serving as a power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell includes an electrode / electrolyte assembly 10 in which a pair of gas diffusion electrodes 14 and 16 are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane 12 by separators 18 and 18. It has a sandwiched structure.

【0004】電解質膜12には、一般に、ナフィオン
(登録商標、デュポン社製)の商品名で知られるパーフ
ルオロスルホン酸膜に代表される、厚さ50〜200μ
mのフッ素系電解質膜が用いられている。
The electrolyte membrane 12 generally has a thickness of 50 to 200 μm represented by a perfluorosulfonic acid membrane known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont).
m fluorine-based electrolyte membrane is used.

【0005】また、ガス拡散電極14、16は、白金等
の電極触媒を担持させたカーボン粒子と電解質からなる
多孔質の触媒層(図示せず)と、ガスが拡散可能な多孔
質材料からなる拡散層(図示せず)の2層からなってい
る。
The gas diffusion electrodes 14 and 16 are made of a porous catalyst layer (not shown) made of carbon particles carrying an electrode catalyst such as platinum and an electrolyte, and a porous material through which gas can diffuse. It is composed of two layers of a diffusion layer (not shown).

【0006】さらに、セパレータ18、18は、集電性
能が高く、酸化水蒸気雰囲気下でも安定な緻密質のグラ
ファイトが一般に用いられる。また、セパレータ18、
18には、ガス拡散電極14、16に電子を供給するた
めの山部18aと、ガスや水などの物質を供給するため
の溝部18bが設けられている。
Further, the separators 18 are generally made of dense graphite which has high current collecting performance and is stable even in an oxidized steam atmosphere. Also, the separator 18,
18 has a peak 18a for supplying electrons to the gas diffusion electrodes 14 and 16, and a groove 18b for supplying a substance such as gas or water.

【0007】このような構造を有する単電池2の両端に
負荷を接続した状態で、一方のガス拡散電極14(燃料
極)側に改質ガス等の水素を含むガスを流し、他方のガ
ス拡散電極16(空気極)側に空気等の酸素を含むガス
を流すと、水素と酸素から水が生成し、その際の自由エ
ネルギー変化が、単電池2の両端に配したセパレータ1
8、18から直接、電気エネルギーとして取り出される
ものである。
In a state where loads are connected to both ends of the unit cell 2 having such a structure, a gas containing hydrogen such as a reformed gas flows to one gas diffusion electrode 14 (fuel electrode) side, and the other gas diffusion electrode 14 (fuel electrode). When a gas containing oxygen such as air flows on the electrode 16 (air electrode) side, water is generated from hydrogen and oxygen, and a change in free energy at that time is caused by a change in the separator 1 disposed at both ends of the cell 2.
It is extracted directly from 8, 18 as electric energy.

【0008】ところで、図8に示す単電池2の起電力は
1V前後であり、そのままでは実用に供することができ
ない。そのため、通常は、高出力電圧を得るために、単
電池2を直列に数百セル積層し、これに燃料、空気、冷
却水の出入りを一括して行う装置を取り付けて容器内に
納めた燃料電池の集合体、いわゆる燃料電池スタックと
して実用に供されている。
Meanwhile, the electromotive force of the unit cell 2 shown in FIG. 8 is about 1 V, and cannot be put to practical use as it is. Therefore, usually, in order to obtain a high output voltage, several hundred cells are stacked in series, and a fuel, air, and a device that collectively enters and exits fuel, air, and cooling water are attached thereto, and the fuel contained in a container is mounted. It is practically used as an assembly of cells, a so-called fuel cell stack.

【0009】図9に、スタック構造の一例を示す。図9
において、燃料電池スタック20は、図8に示す単電池
2を数百セル積層すると共に、単電池2を最適温度に保
持するための冷却板22を数セル毎に配置し、さらに積
層された単電池2の上下に締付板24、24を配した構
造をとっている。
FIG. 9 shows an example of a stack structure. FIG.
In the fuel cell stack 20, in the fuel cell stack 20, several hundred cells shown in FIG. 8 are stacked, and a cooling plate 22 for maintaining the cells 2 at an optimum temperature is arranged every few cells. It has a structure in which fastening plates 24 and 24 are arranged above and below the battery 2.

【0010】また、積層された単電池2の上下端と締付
板24、24の間には、発電された電気を取り出すため
の端子板30、30、及び絶縁を確保するための絶縁板
32、32が配置されている。さらに、燃料電池スタッ
ク20の側面には、燃料ガスを供給するための燃料マニ
ホールド34、34、及び空気を供給するための空気マ
ニホールド36、36が設けられている。
Further, between the upper and lower ends of the stacked unit cells 2 and the clamping plates 24, 24, there are provided terminal plates 30, 30 for taking out generated electricity, and an insulating plate 32 for ensuring insulation. , 32 are arranged. Further, fuel manifolds 34, 34 for supplying fuel gas and air manifolds 36, 36 for supplying air are provided on side surfaces of the fuel cell stack 20.

【0011】そして、積層された単電池2、2…を2枚
の締付板24、24で挟み、上下の締付板24、24に
複数本のボルト26、26…を通し、ナット28、28
…で一括して締め付けることにより、燃料電池スタック
20の組み立てが行われる。
Are sandwiched between two clamping plates 24, 24, a plurality of bolts 26, 26 are passed through upper and lower clamping plates 24, 24, and nuts 28, 28
Are assembled together to assemble the fuel cell stack 20.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図9に
示すように、電極・電解質接合体、セパレータ、端子
板、冷却板等、多数の部材を積層し、ボルトで一括して
締め付ける従来型の燃料電池スタックでは、組み立てに
多くの工程を必要とし、製造コストが高くなるという問
題があった。
However, as shown in FIG. 9, a conventional fuel is obtained by laminating a number of members such as an electrode-electrolyte assembly, a separator, a terminal plate, a cooling plate and the like, and tightening them together with bolts. The battery stack has a problem that many steps are required for assembling and the manufacturing cost is increased.

【0013】また、セパレータからのガス漏れを防止す
ると同時に、電解質膜とガス拡散電極との間の電気的接
触を確実なものとするためには、電極・電解質接合体と
セパレータとを均一な締め付け圧力で締め付ける必要が
あるが、単電池を数百セル積層した燃料電池の積層体を
一括して締め付ける方法では、各単電池毎に締め付け圧
力にばらつきが生じ、均一な締め付けが困難であるとい
う問題があった。
Further, in order to prevent gas leakage from the separator and to ensure electrical contact between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, the electrode / electrolyte assembly and the separator are uniformly tightened. Although it is necessary to tighten with pressure, the method of simultaneously tightening fuel cell stacks in which several hundred cells are stacked causes variations in the tightening pressure for each cell, making uniform tightening difficult. was there.

【0014】さらに、燃料電池スタックは、単電池が直
列に積層されものであるため、1つの単電池に異常が発
生すると燃料電池スタック全体が作動しなくなる。その
場合、ボルトを外して燃料電池スタック全体を分解し、
異常のある単電池を正常な単電池に交換した後、再度燃
料電池スタック全体を組み立てる必要があり、保守作業
が繁雑であるという問題があった。
Furthermore, since the fuel cell stack is formed by stacking cells in series, if an abnormality occurs in one cell, the entire fuel cell stack will not operate. In that case, remove the bolt and disassemble the entire fuel cell stack,
After replacing the abnormal cell with a normal cell, it is necessary to reassemble the entire fuel cell stack, and there has been a problem that maintenance work is complicated.

【0015】本発明が解決しようとする課題は、組立作
業を容易に行うことができると共に、各単電池に均一な
締め付け圧力を付与することができ、しかも保守作業が
容易な固体高分子型燃料電池を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a solid polymer fuel capable of easily performing an assembling operation, applying a uniform tightening pressure to each cell, and easily performing a maintenance operation. It is to provide a battery.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る固体高分子型燃料電池は、固体高分子電
解質の両面に一対のガス拡散電極が接合された電極・電
解質接合体と、該電極・電解質接合体を挟持し、セルを
構成するガス流路を備えた挟持体と、隣接する前記挟持
体同士を個別に連結する機械的締結手段とを備えている
ことを要旨とするものである。
In order to solve the above-mentioned problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises an electrode-electrolyte assembly in which a pair of gas diffusion electrodes is joined to both surfaces of a polymer electrolyte. The invention is characterized in that it comprises a holding body that holds the electrode / electrolyte assembly and has a gas flow path constituting a cell, and mechanical fastening means for individually connecting the adjacent holding bodies. Things.

【0017】ここで、機械的締結手段としては、隣接す
る挟持体(セパレータを兼ねる)同士の締結及び分離を
可逆的に行うことが可能な手段であれば特に限定される
ものではないが、挟持体自身を雄ネジ、雌ネジとなし、
ネジ止めにより締結する螺合手段が好適である。また、
一方の挟持体に突起を設けると共に、他方の挟持体にそ
の突起と係合する溝を設け、突起と溝とを嵌め合わせる
ことにより締結する嵌合手段でもよい。
The mechanical fastening means is not particularly limited as long as it is a means capable of reversibly fastening and separating adjacent holding bodies (also serving as separators). Body with male and female threads, without
A screwing means for fastening by screwing is preferable. Also,
A fitting means may be provided in which a projection is provided on one holding body, a groove is provided on the other holding body which engages with the projection, and the projection is engaged with the groove to fasten the fitting.

【0018】上記構成を有する本発明に係る固体高分子
型燃料電池によれば、単電池の締結作業は、1つの電極
・電解質接合体を一対の挟持体で挟持すると共に、機械
的締結手段により挟持体同士を締結することにより行わ
れる。
According to the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention having the above-described structure, the fastening operation of the unit cell is performed by holding one electrode / electrolyte assembly by a pair of holding bodies and using mechanical fastening means. This is performed by fastening the holding members.

【0019】単電池を数百セル積層する場合であって
も、この作業の繰り返しであり、既に締結された挟持体
と新たな挟持体との間に電極・電解質接合体を配置し、
既に締結された挟持体と新たな挟持体とを、機械的締結
手段により締結し、一体化すればよい。
Even when several hundred cells are stacked, this operation is repeated, and the electrode / electrolyte assembly is arranged between the already fastened sandwich and a new sandwich.
The already fastened holding body and the new holding body may be fastened by mechanical fastening means and integrated.

【0020】本発明によれば、1回の締結工程により1
個の電極・電解質接合体の締結が行われるので、従来の
方法に比較して、燃料電池の組み立てが容易となり、工
数も少なくすることができ、低コストで固体高分子型燃
料電池を製造できる。
According to the present invention, one fastening step allows one
Since the electrode / electrolyte assembly is fastened, the assembly of the fuel cell becomes easier, the number of steps can be reduced, and the polymer electrolyte fuel cell can be manufactured at low cost as compared with the conventional method. .

【0021】また、電極・電解質接合体の締結が1回毎
に行われるので、各電極・電解質接合体を均一な圧力で
締め付けることが可能となり、単電池間の特性差が少な
くなる。さらに、燃料電池スタックを組み立てた後、一
部の単電池に異常が発生した場合には、異常が発生した
部位の挟持体の締結を解除し、異常が発生した電極・電
解質接合体のみを取り外すことができるので、保守作業
が容易化される。
Further, since the electrode-electrolyte assembly is fastened each time, each electrode-electrolyte assembly can be tightened at a uniform pressure, and the difference in characteristics between cells can be reduced. Further, if an abnormality occurs in some of the cells after assembling the fuel cell stack, the fastening of the holding body at the site where the abnormality has occurred is released, and only the electrode / electrolyte assembly in which the abnormality has occurred is removed. Maintenance work is facilitated.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の第1
の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の分解断面図
である。図1において、固体高分子型燃料電池40は、
電極・電解質接合体42と、両端に凸部52bを有する
挟持体(以下、これを「凸型挟持体」という)52と、
両端に凹部54bを有する挟持体(以下、これを「凹型
挟持体」という)54と、端子板56とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment. In FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell 40 includes:
An electrode / electrolyte assembly 42, a holding body 52 having protrusions 52 b at both ends (hereinafter, referred to as a “convex holding body”) 52,
A holding body 54 (hereinafter, referred to as a “concave holding body”) 54 having concave portions 54b at both ends and a terminal plate 56 are provided.

【0023】凸型挟持体52と凹型挟持体54は、電極
・電解質接合体42の積層方向に向かって交互に配置さ
れている。また、隣接する凸型挟持体52の凸部52b
と、凹型挟持体54の凹部54bとは、機械的締結手段
により締結・一体化できるようになっている。図1に例
示する固体高分子型燃料電池40においては、機械的締
結手段として、ネジ止めによる螺合手段が用いられてい
る。
The convex holding members 52 and the concave holding members 54 are arranged alternately in the direction in which the electrode / electrolyte joints 42 are stacked. In addition, the convex portion 52b of the adjacent convex holding body 52
And the concave portion 54b of the concave holding member 54 can be fastened and integrated by mechanical fastening means. In the polymer electrolyte fuel cell 40 illustrated in FIG. 1, screwing means by screwing is used as mechanical fastening means.

【0024】また、電極・電解質接合体42は、凸型挟
持体52の凸部52b先端面と凹型挟持体54の凹部5
4b底面との間で挟持されるようになっており、凸型挟
持体52、電極・電解質接合体42、及び凹型挟持体5
4により1つの単電池50が構成される。さらに、両端
に配した凸型挟持体52の凸部52には、電極・電解質
接合体42で発電された電気を取り出すための端子板5
6が取り付けられる。
Further, the electrode / electrolyte assembly 42 is formed such that the front end surface of the convex portion 52b of the convex holding member 52 and the concave portion 5 of the concave holding member 54 are formed.
4b is sandwiched between the bottom surface and the bottom surface, and the convex sandwiching body 52, the electrode / electrolyte assembly 42, and the concave sandwiching body 5
4 constitute one cell 50. Further, a terminal plate 5 for taking out electricity generated by the electrode-electrolyte assembly 42 is provided on the projection 52 of the projection-type holding body 52 provided at both ends.
6 is attached.

【0025】なお、図1に例示する固体高分子型燃料電
池40においては、単電池50が4層積層された構造に
なっているが、単電池50を5層以上積層する場合も同
様であり、凸型挟持体52及び凹型挟持体54を単電池
50の積層数に応じて交互に配置し、凸型挟持体52及
び凹型挟持体54の間に電極・電解質接合体42を配置
すればよい。
Although the solid polymer fuel cell 40 illustrated in FIG. 1 has a structure in which four single cells 50 are stacked, the same applies when five or more single cells 50 are stacked. The convex-type holding body 52 and the concave-type holding body 54 may be alternately arranged according to the number of stacked cells 50, and the electrode-electrolyte assembly 42 may be disposed between the convex-type holding body 52 and the concave-type holding body 54. .

【0026】電極・電解質接合体42は、図2に示すよ
うに、電解質膜44の両面にガス拡散電極46を接合し
たものである。電解質膜44としては、プロトン伝導性
を有する各種の電解質膜を用いることができ、特に限定
されるものではない。一般的には、パーフルオロスルホ
ン酸膜に代表される、厚さ50〜200μmのフッ素系
電解質膜が用いられる。
As shown in FIG. 2, the electrode / electrolyte assembly 42 has a gas diffusion electrode 46 joined to both surfaces of an electrolyte membrane 44. As the electrolyte membrane 44, various electrolyte membranes having proton conductivity can be used, and are not particularly limited. Generally, a fluorine-based electrolyte membrane having a thickness of 50 to 200 μm represented by a perfluorosulfonic acid membrane is used.

【0027】パーフルオロスルホン酸膜は、電解質基と
してスルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンとの共重合体であり、高いプ
ロトン伝導性を有し、しかも耐酸化性に優れていること
から、固体高分子型燃料電池用の電解質膜として賞用さ
れているものである。
The perfluorosulfonic acid membrane is a copolymer of perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group as an electrolyte group and tetrafluoroethylene, has high proton conductivity, and has excellent oxidation resistance. Therefore, it has been awarded as an electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cells.

【0028】また、ガス拡散電極46は、白金等の電極
触媒を担持させたカーボン粒子と、パーフルオロスルホ
ン酸ポリマー等の電解質からなる多孔質の触媒層46a
と、カーボンペーパー、カーボンクロス等からなる多孔
質の拡散層46bの2層からなっている。
The gas diffusion electrode 46 has a porous catalyst layer 46a made of carbon particles carrying an electrode catalyst such as platinum and an electrolyte such as a perfluorosulfonic acid polymer.
And a porous diffusion layer 46b made of carbon paper, carbon cloth, or the like.

【0029】凸型挟持体52は、図3に示すように、支
持枠52aと、ガス透過体52gと、リード線52hか
らなっている。支持枠52aは、凸型挟持体52の基材
となるものであり、円板状の基材の両端面には、凸部5
2bが形成されている。
As shown in FIG. 3, the convex holding body 52 includes a support frame 52a, a gas permeable body 52g, and a lead wire 52h. The support frame 52a serves as a base material of the convex holding member 52. Both ends of the disk-shaped base material have convex portions 5a.
2b is formed.

【0030】凸部52bの外側面には、凹型挟持体54
と締結するための雄ネジが設けられている。また、各凸
部52bの端面には、リード線埋設溝52cが設けられ
ており、リード線埋設溝52cは、支持枠52aの側面
に設けられたリード線引出孔52dにつながっている。
A concave holding member 54 is provided on the outer surface of the convex portion 52b.
Male screw is provided for fastening. Further, a lead wire burying groove 52c is provided on an end face of each convex portion 52b, and the lead wire burying groove 52c is connected to a lead wire drawing hole 52d provided on a side surface of the support frame 52a.

【0031】支持枠52aの内部には、半径方向に沿っ
て貫通しているガス流路52eが設けられ、ガス流路5
2e内に反応ガスを流せるようになっている。さらに、
支持枠52aの中央には、ガス流路52eと直交するよ
うに、軸方向に沿って円柱状の貫通穴52fが設けられ
ている。
A gas passage 52e penetrating in the radial direction is provided inside the support frame 52a.
A reaction gas can be flowed into 2e. further,
At the center of the support frame 52a, a cylindrical through hole 52f is provided along the axial direction so as to be orthogonal to the gas flow path 52e.

【0032】ここで、支持枠52aには、固体高分子型
燃料電池40の作動温度域(80℃前後)でも変形しな
い程度の耐熱性、及び絶縁性を有する材料が用いられ
る。具体的には、ポリテトラフルオロエチレンが好適な
一例として挙げられる。耐熱性を必要とするのは、支持
枠52aの変形を抑制し、電極・電解質接合体42の締
め付け圧力の低下や、反応ガスのシール性の低下を防止
するためである。
Here, for the support frame 52a, a material having heat resistance and insulation that does not deform even in the operating temperature range (around 80 ° C.) of the polymer electrolyte fuel cell 40 is used. Specifically, polytetrafluoroethylene is a preferred example. The need for heat resistance is to suppress the deformation of the support frame 52a and to prevent a reduction in the tightening pressure of the electrode / electrolyte assembly 42 and a reduction in the sealing performance of the reaction gas.

【0033】また、絶縁性を必要とするのは、高出力電
圧を得るためである。すなわち、高出力電圧を得るに
は、各単電池50を直列に接続する必要があるが、後述
するように、図1に示す固体高分子型燃料電池40にお
いては、単電池50が(−+)、(+−)、(−+)…
の順序で並ぶので、支持枠52aとして導体を用いる
と、同極同士がつながり、燃料電池40が短絡するため
である。
The reason why insulation is required is to obtain a high output voltage. That is, in order to obtain a high output voltage, it is necessary to connect the cells 50 in series. However, as described later, in the polymer electrolyte fuel cell 40 shown in FIG. ), (+-), (-+) ...
This is because, if a conductor is used as the support frame 52a, the same poles are connected and the fuel cell 40 is short-circuited.

【0034】なお、高出力電圧を必要としない場合に
は、支持枠52aの一部にステンレス鋼等の導体を用い
ると共に、他の一部に絶縁体を用い、単電池50を並列
接続するように構成しても良い。
When a high output voltage is not required, a single cell 50 is connected in parallel by using a conductor such as stainless steel for a part of the support frame 52a and using an insulator for the other part. May be configured.

【0035】ガス透過体52gは、円筒形を呈してお
り、支持枠52aの貫通穴52fに埋設されている。ま
た、ガス透過体52gには、ガス透過性、凸型挟持体5
2と凹型挟持体54により電極・電解質接合体42を挟
持した時に圧壊しない程度の強度、及び絶縁性を有する
材料が用いられる。具体的には、ジルコニア等のセラミ
ックス多孔体が好適な一例として挙げられる。
The gas permeable body 52g has a cylindrical shape and is buried in the through hole 52f of the support frame 52a. In addition, the gas permeable body 52g has a gas permeable, convex holding body 5
A material having strength and insulating properties that does not cause crushing when the electrode / electrolyte assembly 42 is sandwiched between the second and concave holding members 54 is used. Specifically, a ceramic porous body such as zirconia is a preferred example.

【0036】ガス透過性を必要とするのは、支持枠52
aのガス流路52eを流れる反応ガスを、ガス透過体5
2gを介して、支持枠52aの両面に配した電極・電解
質接合体42に供給するためである。
The reason why gas permeability is required is that the support frame 52
The reaction gas flowing through the gas flow path 52e of FIG.
This is for supplying to the electrode / electrolyte assembly 42 disposed on both surfaces of the support frame 52a via 2 g.

【0037】従って、図1に例示する固体高分子型燃料
電池40においては、支持枠52aには、反応ガスの混
合を防止するためのセパレータとしての機能はなく、電
極・電解質接合体42がセパレータとしての機能を果た
すようになっている。
Accordingly, in the polymer electrolyte fuel cell 40 illustrated in FIG. 1, the support frame 52a does not have a function as a separator for preventing the reaction gas from being mixed, and the electrode-electrolyte assembly 42 is As a function.

【0038】また、強度を必要とするのは、凸型挟持体
52及び凹型挟持体54により電極・電解質接合体42
を挟持する際に、電極・電解質接合体42に所定の締め
付け圧力を付与するためである。すなわち、ガス透過体
52gの強度が低いと、締め付け圧力を大きくすること
ができず、反応ガスのガス漏れが生じたり、電解質膜4
4とガス拡散電極46との電気的接触が不十分となり、
発電効率が低下する。
Further, the strength is required because the electrode-electrolyte assembly 42 is formed by the convex holding body 52 and the concave holding body 54.
This is because a predetermined tightening pressure is applied to the electrode / electrolyte assembly 42 when sandwiching. That is, if the strength of the gas permeable body 52g is low, the tightening pressure cannot be increased, and gas leakage of the reaction gas may occur or the electrolyte membrane 4
4 and the gas diffusion electrode 46 have insufficient electrical contact,
Power generation efficiency decreases.

【0039】さらに、絶縁性を必要とするのは、上述の
支持枠52aと同様、単電池50を直列に接続し、高出
力電圧を確保するためである。但し、高出力電圧が要求
されない場合には、支持枠52aと同様、一部のガス透
過体52gを金属多孔体、金属メッシュの積層体等のガ
ス透過性を有する導体で構成し、単電池50を並列接続
するようにしても良い。
Further, the reason why insulation is required is to connect the cells 50 in series and secure a high output voltage as in the case of the above-described support frame 52a. However, when a high output voltage is not required, as in the case of the support frame 52a, a part of the gas permeable body 52g is made of a gas permeable conductor such as a porous metal body or a metal mesh laminate, and the cell 50 May be connected in parallel.

【0040】なお、ガス透過体52gは、電極・電解質
接合体42に反応ガスが供給可能であれば足りるので、
ガス透過体52gの形状は、図3に例示するように、円
筒形のセラミック多孔体に限定されるものではない。
It should be noted that the gas permeable body 52g only needs to be capable of supplying a reaction gas to the electrode / electrolyte assembly 42,
The shape of the gas permeable body 52g is not limited to a cylindrical ceramic porous body as illustrated in FIG.

【0041】例えば、ガス透過体52gとして、円筒形
のセラミック多孔体の側面に、ガス流方向に沿って貫通
穴を設けたものを用いてもよい。ガス流方向に沿って貫
通孔を設けると、圧力損失を低減できるという利点があ
る。また、ガス透過体52gとして緻密質の材料を用
い、ガス流方向に沿って貫通している多数の溝を併設し
た、いわゆるリブ状とし、山部の先端で電極・電解質接
合体42を支持するようにしても良い。
For example, as the gas permeable body 52g, a gas permeable body in which a through hole is provided on the side surface of a cylindrical ceramic porous body along the gas flow direction may be used. Providing a through-hole along the gas flow direction has the advantage that pressure loss can be reduced. In addition, a dense material is used as the gas permeable body 52g, and it has a so-called rib shape in which a number of grooves penetrating along the gas flow direction are provided. The electrode / electrolyte joint body 42 is supported at the tip of the peak. You may do it.

【0042】リード線52hは、電解質膜44に接合さ
れたガス拡散電極46と接触させることにより、電極・
電解質接合体42で発電された電気を取り出すためのも
のであり、支持枠52aの凸部52bの端面に設けられ
たリード線埋設溝52cに埋設される。また、リード線
52hの端部は、支持枠52aの側面に設けられたリー
ド線引出孔52dから、支持枠52a外に引き出されて
いる。
The lead wire 52h is brought into contact with the gas diffusion electrode 46 joined to the electrolyte membrane 44, so that the electrode 52
This is for extracting electricity generated by the electrolyte joined body 42, and is buried in a lead wire burying groove 52c provided on an end face of the convex portion 52b of the support frame 52a. The end of the lead wire 52h is drawn out of the support frame 52a from a lead wire drawing hole 52d provided on a side surface of the support frame 52a.

【0043】リード線52hの材質としては、耐食性に
優れた材料が用いられる。具体的には、ステンレス鋼、
Sn又はSn合金、あるいはステンレス鋼、銅等の金属
製のリード線にSn又はSn合金を被覆したものが好適
な一例として挙げられる。
As a material of the lead wire 52h, a material having excellent corrosion resistance is used. Specifically, stainless steel,
A preferable example is Sn or a Sn alloy or a lead wire made of a metal such as stainless steel or copper coated with Sn or a Sn alloy.

【0044】耐食性を必要とするのは、固体高分子型燃
料電池40に供給される反応ガスは、通常、電解質膜4
4に水を補給するために加湿されており、リード線52
hは、酸化水蒸気雰囲気下に曝されるが、酸化水蒸気に
よりリード線52hが酸化、不働態化すると、ガス拡散
電極46との接触抵抗が増大し、発電効率が低下するた
めである。
The reason why corrosion resistance is required is that the reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 40 is usually formed by the electrolyte membrane 4.
4 is humidified to replenish water,
h is exposed to an oxidizing water vapor atmosphere, but when the lead wire 52h is oxidized and passivated by the oxidizing water vapor, the contact resistance with the gas diffusion electrode 46 increases, and the power generation efficiency decreases.

【0045】凹型挟持体54は、図4に示すように、支
持枠54aと、ガス透過体54gと、リード線54hか
らなっている。支持枠54aは、凹型挟持体54の基材
となるものであり、円板状の基材の両端面には凹部54
bが形成されている。また、凹部54bの内側面には、
雌ネジが設けられ、凸型挟持体52の凸部52aの外側
面に形成された雄ネジと螺合することにより、凹型挟持
体54と凸型挟持体52とを機械的に締結・一体化でき
るようになっている。
As shown in FIG. 4, the concave holding member 54 includes a support frame 54a, a gas permeable member 54g, and a lead wire 54h. The support frame 54a serves as a base material of the concave holding member 54, and a concave portion 54 is provided on both end surfaces of the disk-shaped base material.
b is formed. Also, on the inner surface of the concave portion 54b,
A female screw is provided and screwed with a male screw formed on the outer surface of the convex portion 52a of the convex holding member 52, thereby mechanically fastening and integrating the concave holding member 54 and the convex holding member 52. I can do it.

【0046】また、支持枠54aの凹部54bの内径
は、電極・電解質接合体42の外径よりやや大きくなっ
ており、電極・電解質接合体42を凹部54bに収容で
きるようになっている。
The inner diameter of the concave portion 54b of the support frame 54a is slightly larger than the outer diameter of the electrode / electrolyte joint 42 so that the electrode / electrolyte joint 42 can be accommodated in the concave portion 54b.

【0047】さらに、凹型挟持体54と凸型挟持体52
を締結した時に、凹部54bの底面と凸部52bの先端
面の間に空間が形成されるが、その空間の高さは、その
空間内で挟持される電極・電解質接合体42に所定の締
め付け圧力が付与されるよう、電極・電解質接合体42
の高さより若干小さくなっている。
Further, the concave holding member 54 and the convex holding member 52
Is formed, a space is formed between the bottom surface of the concave portion 54b and the tip end surface of the convex portion 52b, and the height of the space is fixed to the electrode / electrolyte assembly 42 sandwiched in the space by a predetermined amount. The electrode / electrolyte assembly 42 is pressed so that pressure is applied.
It is slightly smaller than the height.

【0048】なお、支持枠54aの凹部54bの底面に
は、リード線埋設溝54cが設けられ、支持枠54aの
側面に設けられるリード線引出孔54dにつながってい
る点、支持枠54aの内部には、半径方向に沿って貫通
しているガス流路54eが設けられている点、軸方向に
沿って貫通孔54fが設けられている点、支持枠54a
の材質としてポリテトラフルオロエチレンが好ましい点
は、凸型挟持体52の支持枠52aと同様である。
In addition, a lead wire burying groove 54c is provided on the bottom surface of the concave portion 54b of the support frame 54a, and is connected to a lead wire drawing hole 54d provided on the side surface of the support frame 54a. Is a point where a gas flow passage 54e penetrating along the radial direction is provided, a point where a through hole 54f is provided along the axial direction, a support frame 54a
The point that polytetrafluoroethylene is preferable as the material of the support member 52 is the same as that of the support frame 52 a of the convex holding member 52.

【0049】また、支持枠54aの貫通孔54fには、
ガス透過体54gが埋設されている点、ガス透過体54
gの材質として、ジルコニア等のセラミックス多孔体が
好ましい点、リード線埋設孔54cにはリード線54h
が埋設される点、リード線54hの材質として、ステン
レス鋼、Sn又はSn合金線、あるいはステンレス鋼、
銅等の金属線にSn又はSn合金を被覆したものが好適
である点も、凸型挟持体52と同様である。
In the through hole 54f of the support frame 54a,
The point that the gas permeable body 54g is embedded
g is preferably a ceramic porous body such as zirconia, and the lead wire burying hole 54c has a lead wire 54h.
Is embedded, and the material of the lead wire 54h is stainless steel, Sn or Sn alloy wire, or stainless steel,
It is the same as the convex holding body 52 in that a metal wire such as copper coated with Sn or a Sn alloy is suitable.

【0050】端子板56は、図5に示すように、積層さ
れた単電池50の両端に配置された凸型挟持体52の凸
部52bと螺合できるように、雌ねじ56aが設けられ
ている。また、端子板56には、ステンレス鋼、銅等の
導電性の材料が用いられる。
As shown in FIG. 5, the terminal plate 56 is provided with a female screw 56a so that it can be screwed with the convex portion 52b of the convex holding member 52 disposed at both ends of the stacked unit cells 50. . In addition, a conductive material such as stainless steel or copper is used for the terminal plate 56.

【0051】なお、端子板56は、各電極・電解質接合
体42で発電された電気を取り出すことができれば足り
るので、必ずしも凸型挟持体52と螺合させる必要はな
く、単にはめ込むようにしても良い。また、単電池50
の積層体のいずれか一方の端部が凹型挟持体54である
場合には、凹部54bの雌ねじと螺合可能な雄ねじ、あ
るいははめ込み可能な凸部を設けたものを端子板56と
して用いても良い。
It is sufficient that the terminal plate 56 can take out the electricity generated by the electrode / electrolyte joints 42. Therefore, the terminal plate 56 does not necessarily need to be screwed with the convex holding member 52, and may be simply fitted. good. In addition, the cell 50
When one end of the laminate is a concave holding member 54, a male screw provided with a female screw of the concave portion 54b, or a male screw provided with a convex portion that can be fitted may be used as the terminal plate 56. good.

【0052】次に、図1に示す固体高分子型燃料電池4
0の組み立て手順について説明する。まず、ガス透過体
54g及びリード線54hが埋設された凹型挟持体54
の凹部54bに電極・電解質接合体42を収容する。次
いで、同じくガス透過体52g及びリード線52hが埋
設された凸型挟持体52の凸部52bを凹型挟持体54
の凹部54bに臨ませ、凸部52bと凹部54bを螺合
すればよい。
Next, the polymer electrolyte fuel cell 4 shown in FIG.
The assembly procedure of No. 0 will be described. First, the concave holding body 54 in which the gas permeable body 54g and the lead wire 54h are embedded
The electrode / electrolyte assembly 42 is accommodated in the concave portion 54b of FIG. Next, the convex portion 52b of the convex holding body 52 in which the gas permeable body 52g and the lead wire 52h are buried is also inserted into the concave holding body 54.
And the protrusion 52b and the recess 54b may be screwed together.

【0053】これにより、電極・電解質接合体42は、
凸部52bの先端面及び凹部54bの底面により所定の
締め付け圧力が均一に付与される。また、この時、リー
ド線埋設孔52c、54cに埋設されたリード線52
h、54hと、電極・電解質接合体42のガス拡散電極
46、46とが接触して、一つの単電池50となる。
Thus, the electrode-electrolyte assembly 42 is
A predetermined tightening pressure is evenly applied by the tip surface of the convex portion 52b and the bottom surface of the concave portion 54b. At this time, the lead wires 52 embedded in the lead wire embedding holes 52c and 54c are
h, 54h and the gas diffusion electrodes 46, 46 of the electrode / electrolyte assembly 42 come into contact to form one unit cell 50.

【0054】2つ目以降の単電池50の締結作業も同様
であり、既に締結された凹型挟持体54の他方の凹部5
4bに、電極・電解質接合体42を収容し、電極・電解
質接合体42が収容された凹部54bに、別の凸型挟持
体52の凸部52を螺合させるだけでよい。そして、所
定数の単電池50を積層した後、両端に端子板56を螺
合すれば、単電池50の積層体が得られる。
The same applies to the fastening operation of the second and subsequent unit cells 50, and the other recess 5 of the recessed clamping body 54 already fastened is used.
4b, the electrode-electrolyte assembly 42 is housed, and the projection 52 of another projection-type holding body 52 only needs to be screwed into the recess 54b in which the electrode-electrolyte assembly 42 is housed. Then, after a predetermined number of unit cells 50 are stacked, terminal plates 56 are screwed to both ends, whereby a stacked body of unit cells 50 is obtained.

【0055】次に、リード線52h、54hの結線を行
う。通常は、高出力電圧が得られるように、各単電池5
0は、直列に接続される。図1に例示する固体高分子型
燃料電池40の場合、凸型挟持体52のガス流路52e
には燃料ガスを流し、凹型挟持体54のガス流路54e
には空気を流すようになっているので、凸型挟持体52
と接するガス拡散電極46がアノード(−極)となり、
凹型挟持体54と接するガス拡散電極46がカソード
(+極)となる。
Next, the lead wires 52h and 54h are connected. Normally, each cell 5 is set so that a high output voltage is obtained.
0 is connected in series. In the case of the polymer electrolyte fuel cell 40 illustrated in FIG. 1, the gas flow path 52e of the convex holding body 52
Through which the fuel gas flows, and the gas flow path 54e of the concave holding body 54
, So that air flows therethrough.
And the gas diffusion electrode 46 in contact with becomes an anode (-electrode),
The gas diffusion electrode 46 in contact with the concave holding member 54 serves as a cathode (+ pole).

【0056】すなわち、単電池50は、(−+)、(+
−)、(−+)…のように、同極同士が隣り合うように
なっている。従って、単電池50を直列に接続するため
には、例えば、上部の端子板56には、最上部に位置す
る単電池50のアノード側のリード線52hと結線して
−極とし、下部の端子板56には、最下部に位置する単
電池50のカソード側のリード線54hと結線して+極
とし、さらに各単電池50が(+−)、(+−)、…の
順序でつながるように、残りのリード線52h、54h
を結線すればよい。
That is, the unit cell 50 has (-+), (+
-), (-+) ..., the same poles are adjacent to each other. Therefore, in order to connect the cells 50 in series, for example, the upper terminal plate 56 is connected to the anode-side lead wire 52h of the cell 50 located at the uppermost position to form a negative electrode, and the lower terminal The plate 56 is connected to the cathode-side lead wire 54h of the unit cell 50 located at the lowermost portion to form a positive pole, and the unit cells 50 are connected in the order of (+-), (+-),. And the remaining lead wires 52h and 54h
Should be connected.

【0057】最後に、ガス流路52gに燃料マニホール
ド(図示せず)を取り付け、ガス流路54gに空気マニ
ホールド(図示せず)を取り付ければ、固体高分子型燃
料電池40が完成する。
Finally, by attaching a fuel manifold (not shown) to the gas flow path 52g and attaching an air manifold (not shown) to the gas flow path 54g, the polymer electrolyte fuel cell 40 is completed.

【0058】このような構成を有する固体高分子型燃料
電池40のガス流路52e及び54eに、それぞれ、改
質ガス等の水素を含む燃料ガス及び空気を流せば、凸部
52bと接しているガス拡散電極46には燃料が供給さ
れ、凹部54bと接しているガス拡散電極46には空気
が供給される。これにより、各電極・電解質接合体42
において電極反応が進行し、得られた電気は、端子板5
6、56を介して外部に取り出される。
When a fuel gas containing hydrogen such as a reformed gas and air are passed through the gas flow paths 52e and 54e of the polymer electrolyte fuel cell 40 having such a configuration, the fuel cell 40 is in contact with the projection 52b. Fuel is supplied to the gas diffusion electrode 46, and air is supplied to the gas diffusion electrode 46 in contact with the concave portion 54b. Thereby, each electrode / electrolyte joined body 42
The electrode reaction progresses in
It is taken out to the outside through 6, 56.

【0059】なお、各単電池50の一部を並列接続する
場合には、リード線52h、54hの結線順序を変えて
も良いが、支持枠52a、54a及びガス透過体52
g、54gの一部に導体を使用し、同極同士の一部をつ
なぐようにしても良い。この場合、支持枠52a、54
a及びガス透過体52h、54hがリード線の役割を果
たすので、リード線52h、54hは不要である。
When a part of each unit cell 50 is connected in parallel, the connection order of the lead wires 52h and 54h may be changed, but the support frames 52a and 54a and the gas permeable member 52 may be connected.
A conductor may be used for a part of g and 54g, and a part of the same pole may be connected. In this case, the support frames 52a, 54
Since a and the gas permeable bodies 52h and 54h serve as lead wires, the lead wires 52h and 54h are unnecessary.

【0060】また、組み立てられた燃料電池を分解する
場合には、上述とは逆の手順で行えば良い。さらに、一
部の単電池50のみを交換する場合には、交換したい単
電池50を構成する挟持体52、54のみを取り外すだ
けでよい。
When disassembling the assembled fuel cell, the procedure may be reversed. Further, when only a part of the unit cells 50 are to be replaced, it is only necessary to remove only the holding bodies 52 and 54 constituting the unit cell 50 to be replaced.

【0061】次に、本発明の第2の実施の形態に係る固
体高分子型燃料電池について説明する。図6は、本発明
の第2の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池60の
分解断面図である。図6において、固体高分子型燃料電
池60は、電極・電解質接合体42と、一方の面に凸部
62bを有し、他方の面に凹部62dを有する挟持体6
2とを備えている。
Next, a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is an exploded sectional view of a polymer electrolyte fuel cell 60 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, a polymer electrolyte fuel cell 60 includes an electrode / electrolyte assembly 42 and a holding body 6 having a convex portion 62b on one surface and a concave portion 62d on the other surface.
2 is provided.

【0062】固体高分子型燃料電池60は、電極・電解
質接合体42と挟持体62が積層方向に向かって交互に
積層された構造になっている。また、隣接する一方の挟
持体62の凸部62bと他方の挟持体62の凹部62d
とは、機械的締結手段により締結・一体化できるように
なっている。図6に例示する固体高分子型燃料電池60
においては、機械的締結手段として、ネジ止めによる螺
合手段が用いられている。
The polymer electrolyte fuel cell 60 has a structure in which the electrode / electrolyte joints 42 and the holding members 62 are alternately stacked in the stacking direction. Further, the convex portion 62b of the adjacent one of the holding members 62 and the concave portion 62d of the other holding member 62
And can be fastened and integrated by mechanical fastening means. The polymer electrolyte fuel cell 60 illustrated in FIG.
, Screwing means by screwing is used as mechanical fastening means.

【0063】また、電極・電解質接合体42は、一方の
挟持体62の凸部62b先端面と、他方の挟持体62の
凹部62d底面との間で挟持されるようになっており、
2つの挟持体62、62及び電極・電解質接合体42に
より、1つの単電池50が構成される。なお、図6に例
示する固体高分子型燃料電池60においては、単電池5
0が4層積層された構造になっているが、単電池を5層
以上積層する場合も同様である。
The electrode / electrolyte assembly 42 is sandwiched between the tip of the projection 62b of one of the sandwiches 62 and the bottom of the recess 62d of the other sandwich 62.
The two sandwiching bodies 62, 62 and the electrode / electrolyte assembly 42 constitute one unit cell 50. In the polymer electrolyte fuel cell 60 illustrated in FIG.
Although 0 has a laminated structure of four layers, the same applies to a case where five or more unit cells are laminated.

【0064】電極・電解質接合体42は、図2に示すも
のと同一の構成を有しているので説明を省略する。ま
た、挟持体62は、図7に示すように、支持枠62a
と、ガス透過体62i、62jとを備えている。
The electrode / electrolyte assembly 42 has the same configuration as that shown in FIG. 2 and will not be described. Further, as shown in FIG. 7, the holding body 62 includes a support frame 62a.
And gas permeable members 62i and 62j.

【0065】支持枠62aの一方の面に設けられた凸部
62bには、絶縁層62cが設けられ、凸部62bの先
端面の一部、外側面及び基底面が絶縁層62cにより覆
われている。これは、挟持体62、62同士を螺合した
時に、挟持体62、62同士の絶縁を確保すると同時
に、絶縁層62cに覆われていない凸部62b先端面と
ガス拡散電極46とを接触させるためである。また、絶
縁層62cの外周面には、雄ネジが設けられている。
An insulating layer 62c is provided on the convex portion 62b provided on one surface of the support frame 62a, and a part of the distal end surface, the outer surface, and the base surface of the convex portion 62b are covered with the insulating layer 62c. I have. This is because when the holding members 62 and 62 are screwed together, the insulation between the holding members 62 and 62 is ensured, and at the same time, the gas diffusion electrode 46 is brought into contact with the tip end surface of the convex portion 62b not covered by the insulating layer 62c. That's why. A male screw is provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 62c.

【0066】また、支持枠62aの他方の面に設けられ
た凹部62dの内周面には、絶縁層62cの外周面に設
けられた雄ネジと螺合可能な雌ネジが設けられている。
また、凹部62dの外径は、電極・電解質接合体42の
外径よりやや大きくなっており、電極・電解質接合体4
2を凹部62d内に収容できるようになっている。
A female screw which can be screwed with a male screw provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 62c is provided on the inner peripheral surface of the concave portion 62d provided on the other surface of the support frame 62a.
The outer diameter of the recess 62d is slightly larger than the outer diameter of the electrode-electrolyte assembly 42,
2 can be accommodated in the recess 62d.

【0067】さらに、2つの挟持体62、62を締結し
たときに、凹部62dの底面と凸部62bの先端面の間
に空間が形成されるが、その空間の高さは、その空間内
で挟持される電極・電解質接合体42に所定の締め付け
圧力が付与されるよう、電極・電解質接合体42の高さ
より若干小さくなっている。
Further, when the two holding members 62, 62 are fastened, a space is formed between the bottom surface of the concave portion 62d and the front end surface of the convex portion 62b, and the height of the space is within the space. The height is slightly smaller than the height of the electrode / electrolyte assembly 42 so that a predetermined tightening pressure is applied to the sandwiched electrode / electrolyte assembly 42.

【0068】支持枠62aの内部には、半径方向に向か
って貫通し、互いに交差している2つのガス流路62
e、62fが設けられ、一方に燃料ガスを、他方に酸化
剤ガスを流せるようになっている。従って、本実施の形
態の場合、単電池50は、(+−)、(+−)…のよう
に、異極同士が隣り合うように積層される。また、挟持
体62は、セパレータとしての機能も果たすようになっ
ている。
Two gas passages 62 penetrating in the radial direction and intersecting with each other are provided inside the support frame 62a.
e and 62f are provided so that fuel gas can flow through one of them and oxidant gas can flow through the other. Therefore, in the case of the present embodiment, the unit cells 50 are stacked such that different electrodes are adjacent to each other, such as (+-), (+-). Further, the holding body 62 also functions as a separator.

【0069】さらに、支持枠62aの凸部62b側に
は、ガス流路62eのみと連通するガス透過体埋設孔6
2gが設けられ、支持枠62aの凹部62d側には、ガ
ス流路62fのみと連通するガス透過体埋設孔62hが
設けられている。
Further, on the side of the convex portion 62b of the support frame 62a, the gas permeable body burying hole 6 communicating with only the gas flow path 62e is provided.
2g is provided, and a gas permeable body embedding hole 62h communicating with only the gas flow path 62f is provided on the concave portion 62d side of the support frame 62a.

【0070】ここで、支持枠62aには、導電性及び耐
食性を有する材料が用いられる。具体的には、ステンレ
ス鋼、Sn又はSn合金、あるいはステンレス鋼、銅等
からなる基材にSn又はSn合金を被覆したもの等が好
適な一例として挙げられる。
Here, a material having conductivity and corrosion resistance is used for the support frame 62a. Specifically, a preferable example is one in which a substrate made of stainless steel, Sn or Sn alloy, or stainless steel, copper, or the like is coated with Sn or Sn alloy.

【0071】導電性を必要とするのは、挟持体62の両
端に配置する電極・電解質接合体42、42のガス拡散
電極46、46を電気的に接続し、単電池50を直列に
接続するためである。従って、図7に示す挟持体62の
場合、図3及び図4に示す挟持体52、54と異なり、
リード線は不要である。
The reason for requiring conductivity is that the gas diffusion electrodes 46, 46 of the electrode / electrolyte joints 42, 42 arranged at both ends of the holding body 62 are electrically connected, and the unit cells 50 are connected in series. That's why. Therefore, in the case of the holding body 62 shown in FIG. 7, unlike the holding bodies 52 and 54 shown in FIGS.
No leads are required.

【0072】また、耐食性を必要とするのは、支持枠6
2aが酸化水蒸気雰囲気下に曝されることにより酸化、
不働態化すると、ガス拡散電極46との接触抵抗が増加
し、発電効率が低下するためである。
Further, it is the support frame 6 that requires corrosion resistance.
2a is oxidized by being exposed to an oxidizing steam atmosphere,
This is because the passivation increases the contact resistance with the gas diffusion electrode 46 and lowers the power generation efficiency.

【0073】支持枠62aの凸部62bに設けられる絶
縁層62cには、固体高分子型燃料電池60の作動温度
(80℃前後)でも絶縁特性を維持できる程度の耐熱性
を有する材料が用いられる。具体的には、ポリテトラフ
ルオロエチレンが好適な一例として挙げられる。また、
支持枠62aと、絶縁層62cとは、ネジ止め、ボルト
止め、嵌合等の手段を用いて、固定すればよい。
For the insulating layer 62c provided on the convex portion 62b of the support frame 62a, a material having heat resistance enough to maintain the insulating characteristics even at the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell 60 (around 80 ° C.) is used. . Specifically, polytetrafluoroethylene is a preferred example. Also,
The support frame 62a and the insulating layer 62c may be fixed using means such as screwing, bolting, and fitting.

【0074】ガス透過体62i及び62jは、円筒形を
呈しており、それぞれ、支持枠62aに設けられたガス
透過体埋設孔62g及び62hに埋設されている。ま
た、ガス透過体62i及び62jには、それぞれ、ガス
流路62e及び62f方向に向かって貫通している貫通
孔62k及び62lが設けられている。
The gas permeable members 62i and 62j have a cylindrical shape, and are buried in gas permeable member burying holes 62g and 62h provided in the support frame 62a, respectively. The gas permeable bodies 62i and 62j are provided with through holes 62k and 62l, respectively, penetrating in the gas flow paths 62e and 62f.

【0075】ここで、ガス透過体62i及び62jに
は、ガス透過性及び2つの挟持体62、62により電極
電解質接合体42を挟持した時に圧壊しない程度の強度
を有する材料が用いられる。ガス透過性及び強度を必要
とするのは、図3及び図4に示す挟持体52、54に用
いられるガス透過体52g、54gと同様の理由によ
る。
Here, for the gas permeable members 62i and 62j, a material having gas permeability and a strength that does not cause crush when the electrode electrolyte assembly 42 is sandwiched between the two sandwiching members 62, 62 is used. The gas permeability and strength are required for the same reason as the gas permeable bodies 52g and 54g used for the holding bodies 52 and 54 shown in FIGS.

【0076】但し、本実施の形態の場合、単電池50が
(+−)、(+−)…の順序で積層されるので、ガス透
過体62i及び62jは、絶縁体である必要ではなく、
導体を用いても良い。具体的には、ジルコニア等のセラ
ミックス多孔体や、金属多孔体、金属メッシュの積層体
等を用いることができる。
However, in the case of the present embodiment, since the cells 50 are stacked in the order of (+ −), (+ −)..., The gas permeable members 62i and 62j do not need to be insulators.
A conductor may be used. Specifically, a ceramic porous body such as zirconia, a metal porous body, a laminate of a metal mesh, or the like can be used.

【0077】なお、ガス透過体62i及び62jには、
貫通孔62k及び62lを有しない多孔体を用いても良
く、また緻密質の材料からなるリブ状のものを用いても
良い点は、図3及び図4に示すガス透過体52g、54
gと同様である。
The gas permeable members 62i and 62j include:
The point that a porous body having no through holes 62k and 62l may be used, or a rib-like body made of a dense material may be used is that the gas permeable bodies 52g and 54 shown in FIGS.
Same as g.

【0078】次に、図6に示す固体高分子型燃料電池6
0の組み立て手順について説明する。まず、ガス透過体
62i、62jが埋設された一方の挟持体62の凹部6
2dに電極・電解質接合体42を収容する。次いで、同
じくガス透過体62i、62jが埋設された他方の挟持
体62の凸部62bを、一方の挟持体62の凹部62d
に臨ませ、凸部62bと凹部62dと螺合すればよい。
Next, the polymer electrolyte fuel cell 6 shown in FIG.
The assembly procedure of No. 0 will be described. First, the concave portion 6 of one of the holding members 62 in which the gas permeable members 62i and 62j are embedded is provided.
The electrode / electrolyte assembly 42 is accommodated in 2d. Next, the convex portion 62b of the other holding member 62 in which the gas permeable members 62i and 62j are embedded is also replaced with the concave portion 62d of the one holding member 62.
And the protrusion 62b and the recess 62d may be screwed together.

【0079】これにより、電極・電解質接合体42は、
凸部62bの先端面及び凹部62dの底面により所定の
締め付け圧力が均一に付与される。また、この時、一方
の挟持体62の凸部62b先端面の内、絶縁層62cに
覆われていない部分と電極・電解質接合体42の一方の
ガス拡散電極46とが接触し、他方の挟持体62の凹部
62d底面と電極・電解質接合体42の他方のガス拡散
電極46とが接触して、一つの単電池50となる。
Thus, the electrode-electrolyte assembly 42 is
A predetermined tightening pressure is uniformly applied by the tip end surface of the convex portion 62b and the bottom surface of the concave portion 62d. At this time, a portion of the tip end surface of the convex portion 62b of the one holding body 62, which is not covered with the insulating layer 62c, and one of the gas diffusion electrodes 46 of the electrode-electrolyte assembly 42 come into contact with each other, and The bottom surface of the concave portion 62d of the body 62 and the other gas diffusion electrode 46 of the electrode / electrolyte assembly 42 come into contact with each other to form one unit cell 50.

【0080】2つ目以降の単電池50の締結作業も同様
であり、既に締結された挟持体62の凹部62dに、電
極・電解質接合体42を収容し、電極・電解質接合体4
2が収容された凹部62dに別の挟持体62の凸部62
bを螺合させるだけでよい。
The same applies to the fastening operation of the second and subsequent unit cells 50. The electrode-electrolyte assembly 42 is housed in the recess 62d of the clamping body 62 already fastened, and the electrode-electrolyte assembly 4
The projection 62 of another holding body 62 is inserted into the recess 62d
It is only necessary to screw b.

【0081】さらに、所定数の単電池50を積層した
後、最後にガス流路62eに燃料マニホールド(図示せ
ず)を取り付け、ガス流路62fに空気マニホールド
(図示せず)を取り付ければ、固体高分子型燃料電池6
0が完成する。
Further, after a predetermined number of cells 50 are stacked, a fuel manifold (not shown) is finally attached to the gas passage 62e, and an air manifold (not shown) is attached to the gas passage 62f. Polymer fuel cell 6
0 is completed.

【0082】このような構成を有する固体高分子型燃料
電池60のガス流路62e及び62fに、それぞれ、改
質ガス等の水素を含む燃料ガス及び空気等の酸素を含む
酸化剤ガスを流せば、凸部62bと接しているガス拡散
電極46は、ガス透過体62iを介して燃料ガスが供給
されてアノード(−極)となり、凹部62dと接してい
るガス拡散電極46は、ガス透過体62jを介して空気
が供給されてカソード(+極)となる。これにより、各
電極・電解質接合体42において電極反応が進行し、得
られた電気は、両端に配した導体製の挟持体62、62
を介して外部に取り出される。
When a fuel gas containing hydrogen such as a reformed gas and an oxidizing gas containing oxygen such as air flow through the gas flow paths 62e and 62f of the polymer electrolyte fuel cell 60 having such a configuration, respectively. The fuel gas is supplied to the gas diffusion electrode 46 in contact with the convex portion 62b through the gas permeable body 62i to become an anode (negative pole), and the gas diffusion electrode 46 in contact with the concave portion 62d becomes the gas permeable member 62j. The air is supplied through the above to become a cathode (+ electrode). As a result, the electrode reaction proceeds in each electrode / electrolyte joined body 42, and the obtained electricity is transferred to the conductor sandwiching bodies 62, 62 disposed at both ends.
Is taken out to the outside.

【0083】なお、組み立てられた燃料電池を分解する
場合は、上述とは逆の手順で行えば良い点、及び一部の
単電池50のみを交換する場合には、交換したい単電池
50を構成する挟持体62、62のみを取り外せば良い
点は、第1の実施の形態と同様である。
When disassembling the assembled fuel cell, it is sufficient to carry out the procedure reverse to that described above. When only a part of the cells 50 is to be replaced, the structure of the cell 50 to be replaced It is similar to the first embodiment in that only the holding bodies 62, 62 need to be removed.

【0084】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention. is there.

【0085】例えば、上記実施の形態では、いずれも機
械的締結手段として螺合手段を用いているが、一方の挟
持体に設けられる凸部外側面と他方の挟持体に設けられ
る凹部内側面のいずれか一方に突起を設けると共に、他
方にその突起と係合する溝を設け、一方の挟持体の凸部
を他方の挟持体の凹部にはめ込むと同時に、突起と溝と
を係合させることにより、隣接する挟持体同士を締結す
るようにしても良い。
For example, in each of the above embodiments, the screwing means is used as the mechanical fastening means, but the outer surface of the convex portion provided on one holding member and the inner surface of the concave portion provided on the other holding member are used. By providing a projection on one of them and providing a groove for engaging the projection on the other, fitting the projection of one holding body into the recess of the other holding body, and simultaneously engaging the projection with the groove. Alternatively, adjacent holding bodies may be fastened to each other.

【0086】また、第1の実施の形態においては、両面
に凸部を設けた凸型挟持体と、両面に凹部を設けた凹型
挟持体を用いて電極・電解質接合体を挟持するようにな
っているが、支持枠の一方の面に凸部を設け、他方の面
に凹部を設けた挟持体を用いても良い。
In the first embodiment, the electrode / electrolyte assembly is sandwiched by using a convex sandwiching body having convex portions on both sides and a concave sandwiching body having concave portions on both sides. However, it is also possible to use a holding body provided with a convex portion on one surface of the support frame and a concave portion on the other surface.

【0087】また、第1の実施の形態においては、リン
グ状のリード線を電極・電解質接合体に接触させるよう
にしているが、支持枠の凸部52b先端及び凹部54b
底面、並びにガス透過体52g、54gの両端面に渦巻
き状の溝を設け、渦巻き状のリード線を埋設するように
しても良い。あるいは、リード線の代わりに、金属メッ
シュ等のガス透過性を有する薄層状の導体を電極・電解
質接合体の両面に接触させ、薄層状の導体を介して発電
された電気を取り出すようにしても良い。
In the first embodiment, the ring-shaped lead wire is brought into contact with the electrode / electrolyte assembly. However, the tip of the convex portion 52b of the support frame and the concave portion 54b are formed.
A spiral groove may be provided on the bottom surface and on both end surfaces of the gas permeable bodies 52g and 54g, and a spiral lead wire may be embedded. Alternatively, instead of a lead wire, a thin layer conductor having gas permeability such as a metal mesh may be brought into contact with both surfaces of the electrode-electrolyte assembly to extract electricity generated through the thin layer conductor. good.

【0088】また、上記実施の形態では、単電池のみが
積層された構造について説明したが、単電池を数セル積
層する毎に冷却板を配置するようにしても良い。さら
に、上記実施の形態では、支持枠の外形をいずれも円筒
形としているが、支持枠の外形を角柱状等、他の形状と
しても良く、これにより上記実施の形態と同様の効果を
得ることができる。
In the above embodiment, the structure in which only the unit cells are stacked has been described. However, a cooling plate may be arranged every time several cells are stacked. Further, in the above embodiment, the outer shape of the support frame is all cylindrical, but the outer shape of the support frame may be another shape such as a prismatic shape, whereby the same effect as in the above embodiment can be obtained. Can be.

【0089】[0089]

【発明の効果】本発明に係る燃料電池は、電極・電解質
接合体を、ガス流路を備えた挟持体で挟持すると共に、
挟持体同士を機械的締結手段により締結するようにした
ので、単電池を数百セル積層して、ボルトで一括して締
め付ける従来型の固体高分子型燃料電池に比較して、組
み立てが容易になり、工数も少なくすることができ、製
造コストを削減することができるという効果がある。
According to the fuel cell of the present invention, the electrode / electrolyte assembly is sandwiched by the sandwiching body having the gas flow path.
Since the clamps are fastened by mechanical fastening means, assembly is easier than conventional polymer electrolyte fuel cells in which several hundred cells are stacked and bolted together. Therefore, the number of steps can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

【0090】また、各電極・電解質接合体毎に締め付け
作業が行われるので、各電極・電解質接合体を均一な圧
力で締め付けることが可能となり、単電池間の特性差が
少なくなるという効果がある。
Further, since the tightening work is performed for each electrode-electrolyte assembly, it is possible to tighten each electrode-electrolyte assembly at a uniform pressure, and there is an effect that the characteristic difference between the cells is reduced. .

【0091】さらに、燃料電池を組み立てた後、一部の
単電池に異常が発生した場合には、異常が発生した部位
の挟持体の締結を解除し、異常が発生した電極・電解質
接合体のみを取り外すことができるので、保守作業が容
易化されるという効果がある。
Further, if an abnormality occurs in some of the cells after assembling the fuel cell, the fastening of the holding body at the site where the abnormality occurs is released, and only the electrode-electrolyte assembly in which the abnormality has occurred is released. Can be removed, so that maintenance work is facilitated.

【0092】以上のように、本発明は、単電池間の特性
差が少なく、保守作業の容易な燃料電池を安価に製造す
ることを可能とするものである。そのため、これを例え
ば自動車用の燃料電池システムに応用すれば、自動車の
高出力化、低コスト化に寄与するものであり、産業上そ
の効果の極めて大きい発明である。
As described above, the present invention makes it possible to manufacture a fuel cell having a small difference in characteristics between cells and easy to perform maintenance work at low cost. Therefore, if this is applied to, for example, a fuel cell system for an automobile, it contributes to an increase in the output of the automobile and a reduction in the cost, and this is an invention having an extremely large industrial effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る固体高分子型
燃料電池の分解断面図である。
FIG. 1 is an exploded sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す固体高分子型燃料電池に用いられる
電極・電解質接合体の断面図である。
FIG. 2 is a sectional view of an electrode-electrolyte assembly used in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG.

【図3】図3(a)は、図1に示す固体高分子型燃料電
池に用いられる凸型挟持体の平面図であり、図3(b)
は、そのA−A’線断面図である。
FIG. 3 (a) is a plan view of a convex holding body used in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 3 (b)
Is a sectional view taken along line AA ′.

【図4】図4(a)は、図1に示す固体高分子型燃料電
池に用いられる凹型挟持体の平面図であり、図4(b)
は、そのA−A’線断面図である。
FIG. 4 (a) is a plan view of a concave holding member used in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 4 (b)
Is a sectional view taken along line AA ′.

【図5】図5(a)は、図1に示す固体高分子型燃料電
池に用いられる端子板の平面図であり、図5(b)は、
そのA−A’線断面図である。
5 (a) is a plan view of a terminal plate used in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 5 (b)
It is the AA 'line sectional view.

【図6】本発明の第2の実施の形態に係る固体高分子型
燃料電池の分解断面図である。
FIG. 6 is an exploded cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention.

【図7】図7(a)は、図6に示す固体高分子型燃料電
池に用いられる挟持体の平面図であり、図7(b)は、
そのA−A’線断面図、図7(c)は、そのB−B’線
断面図である。
7 (a) is a plan view of a holding body used in the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 6, and FIG. 7 (b)
FIG. 7 (c) is a sectional view taken along the line BB 'of FIG.

【図8】固体高分子型燃料電池の発電単位となる単電池
の分解斜視図である。
FIG. 8 is an exploded perspective view of a unit cell as a power generation unit of the polymer electrolyte fuel cell.

【図9】従来一般に用いられる燃料電池のスタック構造
を示す斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view showing a stack structure of a conventional fuel cell generally used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

40、60 固体高分子型燃料電池 42 電極・電解質接合体 44 固体高分子電解質膜(電解質
膜) 46 ガス拡散電極 50 単電池 52 挟持体(凸型挟持体) 52e ガス流路 54 挟持体(凹型挟持体) 54e ガス流路 62 挟持体 62e、62f ガス流路
40, 60 solid polymer fuel cell 42 electrode-electrolyte assembly 44 solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane) 46 gas diffusion electrode 50 unit cell 52 sandwiching body (convex holding body) 52e gas flow path 54 sandwiching body (concave type) Holder) 54e Gas flow path 62 Holder 62e, 62f Gas flow path

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質の両面に一対のガス拡
散電極が接合された電極・電解質接合体と、 該電極・電解質接合体を挟持し、セルを構成するガス流
路を備えた挟持体と、 隣接する前記挟持体同士を個別に連結する機械的締結手
段とを備えていることを特徴とする固体高分子型燃料電
池。
1. An electrode / electrolyte assembly in which a pair of gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of a solid polymer electrolyte, and a holding body which holds the electrode / electrolyte assembly and has a gas flow path constituting a cell And a mechanical fastening means for individually connecting the adjacent holding members to each other.
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