JP2006269264A - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
【目的】反応ガスが漏洩することなく単セルのガス流通溝を流通して、高いガス利用率での運転が可能で、かつ、容易に組み立て可能なものを得る。
【構成】膜電極接合体をセパレータで挟んで単セルを構成するものにおいて、燃料極側のセパレータ10に、膜電極接合体の拡散層に対向して配される燃料ガス流通溝7と燃料ガス入口マニホールド1と燃料ガス出口マニホールド2とを取り囲んで配されるパッキング溝8の拡散層側の沿面に凸状溝8aを備え、圧縮によりパッキングを圧入して拡散層とパッキング溝8との間の間隙を塞ぎ、ガスの流通を遮断する。
【選択図】 図1[Objective] To obtain a gas which can be operated at a high gas utilization rate and can be easily assembled by flowing through a gas flow groove of a single cell without leakage of reaction gas.
[Structure] In a structure in which a membrane electrode assembly is sandwiched between separators to form a single cell, a fuel gas circulation groove 7 and a fuel gas are arranged on the separator 10 on the fuel electrode side so as to face the diffusion layer of the membrane electrode assembly. Convex grooves 8a are provided on the side of the diffusion layer side of the packing groove 8 that surrounds the inlet manifold 1 and the fuel gas outlet manifold 2, and the packing is press-fitted by compression so that the gap between the diffusion layer and the packing groove 8 is provided. The gap is closed and the gas flow is blocked.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電解質に高分子膜を用いる固体高分子電解質形燃料電池に係り、特に、反応ガスの所定流路外への漏洩が効果的に回避されて安定した発電運転ができ、かつ、組み立てが容易な電池構成に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell using a polymer membrane as an electrolyte, and in particular, leakage of a reaction gas outside a predetermined flow path is effectively avoided, stable power generation operation can be performed, and assembly. It is related with the battery structure which is easy.
固体高分子電解質形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、電解質に高分子膜を用いる燃料電池で、出力密度が高い、電池寿命が長いなどの優れた特徴を備えている。図5は、固体高分子電解質形燃料電池の単セルの従来の一般的な構成例を示す断面模式図である。本図に見られるように、単セルは、膜電極接合体(以下、MEAと称する。)を、燃料ガス流通溝7を備えた燃料極側のセパレータ10と酸化剤ガス流通溝15を備えた酸化剤側のセパレータ11とによって挟持し、パッキング13を介装して構成されており、MEAは、枠状の保護シート24に支持された固体高分子膜21の両面に、拡散層23上に触媒層22を形成して構成された電極を接合して作製されている。固体高分子膜21には、通常、パーフルオロスルホン酸ポリマーが使用され、保護シート24には、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)などの汎用プラスティックフィルムが用いられる場合が多い。また電極を構成している上記の拡散層23は、セパレータのガス流路に供給された反応ガスを触媒層22へと拡散させる機能を果たすとともに、電池反応で得られた電流を集電する機能も果たしている。
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a fuel cell using a polymer membrane as an electrolyte, and has excellent features such as high output density and long battery life. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a conventional general configuration example of a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell. As seen in this figure, the single cell includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA), a
セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを互いに分離するとともに、これらの反応ガスや冷却水を通流させる機能、並びに電池反応で得られた電流を外部に導く機能を果たしている。図6は、図5に示した単セルに用いられている燃料極側のセパレータ10のMEA側より見た平面図である。図に見られるように、セパレータ10には、貫通孔からなる6個のマニホールド、すなわち、燃料ガス入口マニホールド1、燃料ガス出口マニホールド2、酸化剤ガス入口マニホールド3、酸化剤ガス出口マニホールド4、冷却水入口マニホールド5、および冷却水出口マニホールド6が備えられ、さらに、燃料ガス入口マニホールド1と燃料ガス出口マニホールド2とを結ぶ蛇行流路からなる燃料ガス流通溝7が設けられている。また、これらの燃料ガス入口マニホールド1と燃料ガス出口マニホールド2と燃料ガス流通溝7とからなる燃料ガス系を取り囲むようにパッキング溝8が備えられており、このパッキング溝8にパッキングを装着し、保護シートの間に締付けることによって、燃料ガス系が分離される。なお、酸化剤ガス入口マニホールド3、酸化剤ガス出口マニホールド4、冷却水入口マニホールド5、および冷却水出口マニホールド6は、それぞれ、その周囲に備えられたパッキング溝9にパッキングを装着し、保護シートの間に締付けることによって、分離される。
The separator functions to separate the fuel gas and the oxidant gas from each other, to pass the reaction gas and cooling water, and to conduct the current obtained by the cell reaction to the outside. FIG. 6 is a plan view seen from the MEA side of the
セパレータ10の構成材料には、一般に、炭素粉末と樹脂より構成される炭素複合材料が用いられる。上記の炭素粉末としては、燐片状黒鉛粉や、人造黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラックなどが用いられる。また、樹脂は、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のどちらでもよく、一般にフェノール樹脂やエポキシ樹脂等が用いられる。セパレータは、これらの炭素粉末と樹脂とを混合したコンパウンドをモールド成形することにより、あるいは射出成形することによって作製される。また、パッキング溝8およびパッキング溝9に装着するパッキングの材料としては、フッ素ゴムやエチレンプロピレンゴム、シリコンゴムなどが用いられる。
固体高分子電解質形燃料電池は、上記のごとき単セルを複数個積層した燃料電池スタックにより構成される。図7は、このようにして構成した固体高分子電解質形燃料電池を模式的に示した側面図である。所要発生電圧に見合った個数の単セル31を積層し、その両端に、直流電力を取り出すための集電板32と、スタックを構造部材から電気的に絶縁する絶縁板33と、締付け板34とを配し、さらに、スタッド37により支持された端版36と締付け板34との間にコイルばね35を配して固体高分子電解質形燃料電池が構成されており、単セル31のスタックはコイルばね35により一定の締付け圧力で加圧支持されている。このように加圧支持することにより、単セル31のMEAとセパレータとの間や隣り合う単セル31と単セル31との間等の積層部品間の接触抵抗が低減され、電気的損失が抑制される。また、このスタックの加圧支持によって単セル31の保護シートとセパレータとの間に介装されたパッキングが押しつぶされ、保護シートとパッキングとの間、セパレータとパッキングとの間の密着性が高められて、ガスのシール性能が向上する。
Generally, a carbon composite material composed of carbon powder and resin is used as the constituent material of the
A solid polymer electrolyte fuel cell is composed of a fuel cell stack in which a plurality of single cells as described above are stacked. FIG. 7 is a side view schematically showing the solid polymer electrolyte fuel cell configured as described above. A number of
上記のように、固体高分子電解質形燃料電池においては、スタックを加圧支持することによって電気的特性の向上、並びにガスのシール性能の向上を図っている。しかしながら実際に燃料電池を作製する際には、加工公差や組立て公差などによって設計値に対してずれを生じ、不具合が発生する場合がある。例えば、上述の従来例の燃料電池に用いられている単セルにおいては、ガスのシールに用いられるパッキングは保護シートとセパレータのパッキング溝との間に介装されるよう構成されているが、実際の電池では加工公差や組立て公差などによって位置ずれを生じ、パッキングが保護シートを外れてMEAの拡散層へ重なり合う可能性がある。このようにパッキングが拡散層へ重なると、拡散層の破壊を生じたり、ガスの気密性が損なわれたりする危険性があるので、パッキングの拡散層への重なりを回避することが必須条件であり、このため、拡散層を取り囲んで配置されるパッキング溝の内寸法を拡散層の外寸法より十分大きなものとする必要がある。 As described above, in the solid polymer electrolyte fuel cell, the stack is pressurized and supported to improve electrical characteristics and gas sealing performance. However, when a fuel cell is actually manufactured, a deviation may occur with respect to a design value due to processing tolerances, assembly tolerances, and the like. For example, in the single cell used in the above-described conventional fuel cell, the packing used for gas sealing is configured to be interposed between the protective sheet and the packing groove of the separator. In such a battery, there is a possibility that the positional deviation occurs due to processing tolerance, assembly tolerance, etc., and the packing may come off the protective sheet and overlap the diffusion layer of the MEA. If the packing overlaps the diffusion layer in this way, there is a risk that the diffusion layer may be destroyed or the gas tightness may be impaired. Therefore, it is essential to avoid the packing from overlapping the diffusion layer. For this reason, it is necessary to make the inner dimension of the packing groove disposed surrounding the diffusion layer sufficiently larger than the outer dimension of the diffusion layer.
しかしながら、このようにパッキング溝の内寸法と拡散層の外寸法との間に十分な距離を採ることとすれば、この隙間への反応ガスの通流が可能となるので、マニホールドより供給された反応ガスの一部がこの隙間を回り込んで通流し、拡散層に対向して配されたガス流路を通流して電池反応に寄与する反応ガスの流量が所定流量を下回り、電池特性が低下する恐れがある。したがって、所定の電池特性を安定して得るには、反応ガスのこの隙間への通流を遮断する必要があり、例えば特許文献1に開示されているように、隙間に、適宜、充填シールを充填してガスの流れを遮断する方法等が用いられる。
上記のように、この種の固体高分子電解質形燃料電池においては、スタックの加圧、支持により生じる恐れのある単セルの拡散層の破壊や、ガスの気密性の喪失を回避するために、パッキング溝の内寸法と拡散層の外寸法との間に十分な距離を備える構成が採られており、さらにこの間の隙間をバイパスして通流するガスによる発電特性の低下を抑制するために、この隙間に充填シールを充填して流路を遮断する等の方策が採られている。
このように充填シールでシールする方法を用いれば発電特性の低下は回避できるが、別途充填シールを必要とするので、製作部品点数が多くなり、かつ製作工程も増すので製作コストが増大することとなる。なお、上記の充填シールをパッキングと一体化した構成部品とする方法も考えられるが、この方法では、組み立ての際、充填シールと拡散層との干渉が生じて、組み立てが容易に行えないという問題点がある。
As described above, in this type of solid polymer electrolyte fuel cell, in order to avoid the destruction of the diffusion layer of the single cell and the loss of gas tightness that may occur due to pressurization and support of the stack, In order to suppress a decrease in power generation characteristics due to the gas flowing by bypassing the gap between the inner dimension of the packing groove and the outer dimension of the diffusion layer, and further bypassing the gap therebetween, Measures such as filling the gap with a filling seal and blocking the flow path are taken.
If the method of sealing with a filling seal is used in this way, degradation of power generation characteristics can be avoided, but since a separate filling seal is required, the number of manufactured parts increases and the manufacturing process increases, which increases the manufacturing cost. Become. In addition, although the method of making said filling seal into a component integrated with packing is also conceivable, in this method, interference occurs between the filling seal and the diffusion layer at the time of assembly, and the problem is that assembly cannot be performed easily. There is a point.
本発明は、上記のごとき従来の固体高分子電解質形燃料電池の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、積層して加圧、支持される単セルのMEAとセパレータとの間に介装されるガスシール用のパッキングが、使用部品点数を増大させることなく適正に装着されて単セル内のガスのシールが効果的に行われ、安定した発電運転を継続して行うことが可能で、かつ、安価に製作することのできる固体高分子電解質形燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the problems of the conventional solid polymer electrolyte fuel cells as described above, and an object of the present invention is to provide a single-cell MEA and separator that are stacked, pressurized, and supported. Gas seal packing inserted between the two is properly installed without increasing the number of parts used, and the gas in the single cell is effectively sealed, and stable power generation operation is continued. It is an object of the present invention to provide a solid polymer electrolyte fuel cell that can be manufactured at low cost.
上記の目的を達成するために、本発明においては、
固体高分子電解質膜の両面に触媒層と拡散層とからなる電極を配して形成された膜電極接合体を、前記電極に対向する領域に設けられたガス流通溝と、前記ガス流通溝に連通する貫通孔からなるガス入口マニホールドおよびガス出口マニホールドとを備えた一組のセパレータで挟み込んで構成される単セルよりなる固体高分子電解質形燃料電池において、
(1)前記ガス流通溝、ガス入口マニホールドおよびガス出口マニホールドを取り囲んで、ガスシール用のパッキングを装着するパッキング溝が備えられ、該パッキング溝の電極側の沿面に、電極の側面へと延伸する凸状溝を有し、かつ、電池を加圧締め付けて組み立てたとき、前記パッキング溝に装着された前記パッキングが前記凸状溝に圧入され、電極の側面へと延伸して配設されるよう構成することとする。
In order to achieve the above object, in the present invention,
A membrane electrode assembly formed by arranging an electrode composed of a catalyst layer and a diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a gas flow groove provided in a region facing the electrode, and a gas flow groove In a solid polymer electrolyte fuel cell comprising a single cell sandwiched between a pair of separators each having a gas inlet manifold and a gas outlet manifold each having a communicating through hole.
(1) A packing groove that surrounds the gas flow groove, the gas inlet manifold, and the gas outlet manifold and is provided with a packing for gas sealing is provided, and extends to the side surface of the electrode along the electrode side of the packing groove. When the battery has a convex groove and is assembled by pressurizing and tightening the battery, the packing attached to the packing groove is press-fitted into the convex groove and extended to the side surface of the electrode. It shall be configured.
(2)また、上記(1)の固体高分子電解質形燃料電池において、ガス入口マニホールド近傍とガス出口マニホールド近傍とを結び、ガス流通溝を挟んで両側に配される上記のパッキング溝の電極側の沿面に、それぞれ、上記の凸状溝を少なくとも1個備えることとする。
(3)さらに、上記(1)または(2)の固体高分子電解質形燃料電池において、上記の凸状溝を、パッキング溝の屈曲部の電極側の沿面に備えることとする。
(2) Also, in the solid polymer electrolyte fuel cell of (1) above, the electrode side of the packing groove connected to the vicinity of the gas inlet manifold and the vicinity of the gas outlet manifold and disposed on both sides with the gas flow groove interposed therebetween Each of the convex grooves is provided with at least one convex groove.
(3) Further, in the solid polymer electrolyte fuel cell according to (1) or (2), the convex groove is provided on the creeping surface of the bent portion of the packing groove on the electrode side.
MEAをガス流通溝を備えた一組のセパレータで挟み込んで構成した単セルよりなる固体高分子電解質形燃料電池において、上記(1)のごとく、ガス流通溝とこのガス流通溝を流通するガスのガス入口マニホールドとガス出口マニホールドとを取り囲んでパッキング溝を備えるとともに、このパッキング溝の電極側の沿面に、電極の側面へと延伸する凸状溝を備え、かつ、電池を加圧締め付けて組み立てたとき、パッキング溝に装着されたこのパッキングが上記の凸状溝に圧入され、電極の側面へと延伸して配設されるよう構成することとすれば、凸状溝に圧入され、電極の側面へと延伸して配設されるパッキング部材によって、パッキング溝と電極の側面との間の隙間が部分的に埋められることとなる。したがって、この隙間を通してのガスの流通が阻止され、ガスは漏洩することなく、ガス流通溝を介してガス入口マニホールドからガス出口マニホールドへと流れることとなる。また、本構成では、凸状溝に圧入されたパッキング部材によって隙間が埋められるので、この隙間が微小でなくとも容易にガスの流通を阻止することができる。したがって、パッキング溝と電極の側面との間の隙間の大きさを広くすることができるので、単セルの組み立て、積層が容易に行えることとなる。 In a solid polymer electrolyte fuel cell comprising a single cell constructed by sandwiching an MEA with a pair of separators having gas flow grooves, as described in (1) above, the gas flow grooves and the gas flowing through the gas flow grooves are A packing groove is provided so as to surround the gas inlet manifold and the gas outlet manifold, and a convex groove extending to the side surface of the electrode is provided along the electrode side of the packing groove, and the battery is assembled by press-tightening the battery. When the packing mounted in the packing groove is press-fitted into the convex groove and extended to the side surface of the electrode, the packing is pressed into the convex groove and the side surface of the electrode. The gap between the packing groove and the side surface of the electrode is partially filled by the packing member that extends to the side. Therefore, the gas flow through the gap is prevented, and the gas flows from the gas inlet manifold to the gas outlet manifold via the gas flow groove without leaking. Further, in this configuration, since the gap is filled with the packing member press-fitted into the convex groove, the gas flow can be easily prevented even if the gap is not minute. Therefore, since the size of the gap between the packing groove and the side surface of the electrode can be widened, the single cell can be easily assembled and stacked.
また、上記(1)のごとく、ガス流通溝と、ガス入口マニホールドおよびガス出口マニホールドを取り囲んでパッキング溝を備え、このパッキング溝にパッキングを装着してガスのシールを行う構成の場合には、ガスの一部がガス流通溝の対向する電極とパッキングとの間にできる隙間を流通してガス入口マニホールドからガス出口マニホールドへと送られる可能性がある。したがって、上記(2)のごとく、ガス流通溝を挟んで両側に配されるパッキング溝の電極側の沿面に、それぞれ、上記の凸状溝を少なくとも1個備えることとすれば、ガス流通溝を流通しないガスの流れは完全に遮断されることとなり、本構成の燃料電池は所定の電池性能で安定して運転できることとなる。
また、上記のごとく構成される単セルにおいては、単セルの組み立て時やスタックの加圧締め付け時には、パッキングの屈曲部に圧縮力が集中するので、さらに上記(2)のごとく、上記の凸状溝を、パッキング溝の屈曲部の電極側の沿面に備えることとすれば、凸状溝の部分のパッキングに効果的に圧縮力が加わり、凸状溝に圧入されたパッキング部材によって効果的に隙間が埋められ、安定した発電が確保される。
Further, as described in the above (1), in the case where a gas flow groove, a gas inlet manifold and a gas outlet manifold are surrounded and a packing groove is provided, and packing is attached to the packing groove to seal the gas, May flow from the gas inlet manifold to the gas outlet manifold through a gap formed between the opposing electrode of the gas flow groove and the packing. Therefore, as described in (2) above, if each of the convex grooves on the electrode side of the packing groove disposed on both sides of the gas flow groove is provided with at least one convex groove, the gas flow groove is The flow of gas that does not circulate is completely cut off, and the fuel cell of this configuration can be stably operated with a predetermined battery performance.
Further, in the unit cell configured as described above, the compressive force concentrates on the bent portion of the packing when the unit cell is assembled or when the stack is pressed and tightened. If the groove is provided on the creeping surface of the packing groove on the electrode side, a compressive force is effectively applied to the packing of the convex groove portion, and the packing member press-fitted into the convex groove effectively removes the gap. To ensure stable power generation.
本発明の固体高分子電解質形燃料電池の最良の実施形態は、
周縁部を保護シートで挟持した固体高分子電解質膜の両面に触媒層と拡散層とからなる電極を配して形成されたMEAを、上記の電極に対向する領域にガス流通溝を備え、かつ、上記の周縁部に対向する領域に貫通孔からなるガス入口マニホールドとガス出口マニホールドとを備えた一組のセパレータで挟み込んで構成される単セルよりなる固体高分子電解質形燃料電池において、セパレータの、上記の周縁部に対向する領域に、ガス流通溝とこのガス流通溝を流通するガスのガス入口マニホールドとガス出口マニホールドとを取り囲んで、ガスシール用のパッキングを装着するパッキング溝を備え、さらに、このパッキング溝の電極側の沿面に、電極の側面へと延伸する凸状溝を備え、かつ、電池を加圧締め付けて組み立てたとき、パッキング溝に装着されたこのパッキングが上記の凸状溝に圧入され、電極の側面へと延伸して配設されるよう構成された形態にある。
The best embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention is:
MEA formed by arranging an electrode composed of a catalyst layer and a diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having a peripheral edge sandwiched between protective sheets, a gas flow groove in the region facing the electrode, and In the solid polymer electrolyte fuel cell comprising a single cell configured to be sandwiched between a pair of separators each having a gas inlet manifold and a gas outlet manifold each having a through hole in a region facing the peripheral edge portion, The gas flow groove and a gas groove that surrounds the gas flow groove and the gas outlet manifold are provided in a region facing the peripheral edge, and a packing groove for mounting a gas seal packing is provided. When the packing groove is provided with a convex groove extending to the side surface of the electrode on the side of the electrode, and the battery is assembled by press-tightening, The packing is mounted in grayed groove is pressed into convex grooves described above, in the configuration form to be arranged extending into the side surface of the electrode.
本発明の固体高分子電解質形燃料電池の単セルを以下の方法により製作した。
まず、白金―ルテニウム合金(合金比2:1)をカーボン担体に担持した白金―ルテニウム合金担持カーボン触媒と、電解質樹脂溶液(デュポン社製、ナフィオン溶液)とを混合してアノード用の触媒分散スラリーを作製した。次いで、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)により撥水処理したカーボンペーパー基材(東レ製、TGPH60、120 mm × 120 mm、厚さ190 μm)からなるガス拡散層上の105 mm × 105 mmの領域に、このスラリーを塗布してアノード電極とした。なお、このとき触媒量が 0.7 mgPt/cm2 となるように塗布した。
次に、白金をカーボン担体に担持した白金担持カーボン触媒と、電解質樹脂溶液(デュポン社製、ナフィオン溶液)とを混合してカソード用の触媒分散スラリーを作製し、このスラリーを、 PTFEにより撥水処理したカーボンペーパー基材(東レ製、TGPH60、120 mm × 120 mm、厚さ190 μm)からなるガス拡散層上の105 mm × 105 mmの領域に塗布してカソード電極とした。なお、このとき触媒量が 0.7 mgPt/cm2 となるように塗布した。
A single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention was produced by the following method.
First, a platinum-ruthenium alloy-supported carbon catalyst in which a platinum-ruthenium alloy (alloy ratio 2: 1) is supported on a carbon support and an electrolyte resin solution (manufactured by DuPont, Nafion solution) are mixed to form a catalyst dispersion slurry for an anode. Was made. Next, in a 105 mm × 105 mm region on the gas diffusion layer consisting of a carbon paper base material (Toray, TGPH60, 120 mm × 120 mm, thickness 190 μm) treated with PTFE (polytetrafluoroethylene). The slurry was applied to make an anode electrode. In addition, it apply | coated so that the catalyst amount might be set to 0.7 mgPt / cm < 2 > at this time.
Next, a platinum-supported carbon catalyst in which platinum is supported on a carbon carrier and an electrolyte resin solution (manufactured by DuPont, Nafion solution) are mixed to prepare a catalyst dispersion slurry for the cathode, and this slurry is made water-repellent by PTFE. A cathode electrode was prepared by applying a 105 mm × 105 mm region on a gas diffusion layer made of a treated carbon paper substrate (Toray, TGPH60, 120 mm × 120 mm, thickness 190 μm). In addition, it apply | coated so that the catalyst amount might be set to 0.7 mgPt / cm < 2 > at this time.
また、電解質膜として、デュポン社製ナフィオンN−112(160mm ×160mm、厚さ 50μm)を準備し、これを枠状の保護シートに挟んだ。保護シートは、厚さ 25 μmのPEA(ポリテトラFルオロエチレン/パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)のシートからなり、外形は電解質膜と同じく160mm ×160mmで、その中心部に 100mm × 100mmの正方形の孔が備えられたものである。したがって、電解質膜を保護シートで挟んだとき、この孔の部分から電解質膜が露出することとなる。この電荷質膜を、上記のごとく作製したアノード電極とカソード電極で挟持し、ホットプレスを行ってMEAを作製した。このとき、それぞれの触媒層が電荷質膜に対向するようにアノード電極とカソード電極を配置して挟持し、熱プレス装置にセットして、温度 140℃、圧力5MPa、時間 5 minの条件でホットプレスを行った。 Further, Nafion N-112 (160 mm × 160 mm, thickness 50 μm) manufactured by DuPont was prepared as an electrolyte membrane, and this was sandwiched between frame-shaped protective sheets. The protective sheet consists of a 25 μm thick PEA (polytetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) sheet, and the outer shape is 160 mm × 160 mm, the same as the electrolyte membrane, with a 100 mm × 100 mm square hole in the center. Is provided. Therefore, when the electrolyte membrane is sandwiched between the protective sheets, the electrolyte membrane is exposed from the hole portion. This chargeable film was sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode prepared as described above, and hot pressing was performed to prepare an MEA. At this time, the anode electrode and the cathode electrode are arranged and sandwiched so that each catalyst layer faces the chargeable membrane, set in a hot press apparatus, and hot under the conditions of a temperature of 140 ° C., a pressure of 5 MPa, and a time of 5 min. Pressed.
一方、このMEAと組み合わせて用いるセパレータには、炭素粉末と樹脂とを混合して得たコンパウンドをモールド成形することによってガス流路を形成したセパレータを用いた。このとき、炭素粉末として燐片状黒鉛粉を、樹脂としてフェノール樹脂を用いた。また、MEAの電極に対向して配されるガス流通溝と、そのガス流通溝に流れるガスのガス入口マニホールドとガス出口マニホールドからなるガス流路を取り囲むパッキング溝を形成するとともに、このパッキング溝のガス入口マニホールド近傍とガス出口マニホールド近傍の電極側の沿面、すなわち、ガス流通溝側の沿面に、電極の側面へと延伸する凸状溝を備えた。なお、上記のパッキング溝は、幅3mm、深さ1mmの矩形断面の溝とし、凸状溝は半径 0.5 mmの半円状の溝とした。
図1は、本実施例の単セルの燃料極側のセパレータの正面模式図である。本図においても、図6に示した従来例の構成要素と同一の機能を有する構成要素には同様の符号が付されてり、10は燃料極側のセパレータ、1、2、3、4、5、6は、それぞれ、貫通孔からなる燃料ガス入口マニホールド、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールド、冷却水入口マニホールド、冷却水出口マニホールドである。また、7は、燃料ガス入口マニホールド1と燃料ガス出口マニホールド2とを結ぶ蛇行流路からなる燃料ガス流通溝であり、8は、これらの燃料ガス系を取り囲むパッキング溝である。本実施例のセパレータと図6に示した従来例のセパレータとの相違点は、燃料ガス系のシール構成にあり、本実施例の特徴は、燃料ガス系を取り囲むパッキング溝8の、拡散層組み込み領域に対向する燃料ガス流通溝7側の沿面に、凸状溝8a,8bが備えられている点にある。
On the other hand, as a separator used in combination with this MEA, a separator in which a gas channel was formed by molding a compound obtained by mixing carbon powder and resin was used. At this time, flake graphite powder was used as the carbon powder, and phenol resin was used as the resin. In addition, a gas flow groove disposed opposite to the electrode of the MEA and a packing groove that surrounds a gas flow path composed of a gas inlet manifold and a gas outlet manifold for the gas flowing in the gas flow groove are formed. Convex grooves extending toward the side surfaces of the electrodes were provided on the creeping surfaces on the electrode side in the vicinity of the gas inlet manifold and the gas outlet manifold, that is, on the creeping surface on the gas flow groove side. The packing groove was a rectangular cross-sectional groove having a width of 3 mm and a depth of 1 mm, and the convex groove was a semicircular groove having a radius of 0.5 mm.
FIG. 1 is a schematic front view of a separator on the fuel electrode side of a single cell of this example. Also in this figure, components having the same functions as those of the conventional example shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, 10 is a separator on the fuel electrode side,
上記のパッキング溝8に装着するパッキングにはフッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴムなど様々な材料が使用可能であるが、本実施例では、フッ素ゴムを成形加工して得た、幅 3 mm、高さ1.5 mmの楕円形断面をもつパッキングを装着した。図2は、燃料極側のセパレータ10の燃料ガス入口マニホールド1近傍の構成を示す要部正面模式図で、溝幅と同一幅をもつパッキングをパッキング溝8に嵌め合いにより装着した場合の装着状況を示したものである。本図において、13が燃料ガス系を取り囲むパッキング溝に装着されたパッキング、14が冷却水入口マニホールド5を取り囲むパッキング溝に装着されたパッキングであり、20は、セパレータに対向して配されるMEAの拡散層の位置を示している。本構成では、パッキング13はパッキング溝8と同一幅であるので、装着後、締付け前の段階においては、本図に見られるように、パッキング13がパッキング溝8に整然と挿入され、凸状溝8aへの入り込みは生じない。したがって、セパレータでMEAを挟み込んで単セルを構成する際に、MEAの拡散層とパッキング13との隙間を十分に保つことが容易となり、組み立て性能が向上する。
Various materials such as fluorine rubber, ethylene propylene rubber, and silicon rubber can be used for the packing to be mounted in the
図3は、拡散層の外寸位置がパッキング溝8内寸位置より 0.5 mm内側になるようにセパレータとMEAを位置合わせした単セルの締付け以前の断面模式図である。本図は、枠状の保護シート24で支持された固体高分子膜21と触媒層22と拡散層23とからなるMEAを2枚のセパレータ10,11により挟み込んで単セルを構成するもので、図5に示した従来例との相違点は、パッキング溝8に設けられた凸状溝8aにある。単セルを締付ける以前の状態では、図2に示したように、この凸状溝8aにはパッキングは入り込んではいない。このように位置合わせを行った単セルを30個積層し、締付け部材により締付けて燃料電池スタックを構成した。このとき、セパレータ10,11とMEAとが接する面における面圧力が 0.6 MPaとなるように締付け圧力を設定した。図4は、図3のごとく位置合わせを行って締付けた単セルの断面模式図である。締付けによってパッキング13が圧縮され、パッキング溝8の側面方向への拡張力が働き、凸状溝8aの中へと入り込んでいる。このようにパッキング13が凸状溝8aの中へと入り込むと、MEAの拡散層23とパッキング13との間の隙間が凸状溝8aの中へと入り込んだパッキングにより埋められるので、この隙間を通してのガスの流通が阻止されることとなる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a single cell in which the separator and the MEA are aligned so that the outer dimension position of the diffusion layer is 0.5 mm inside the packing
上記のごとく30個の単セルを積層し、締付けて構成した燃料電池スタックについて、アノード反応ガスに80%H2+20%CO2の混合ガス、カソード反応ガスに空気を使用し、スタック温度80℃、アノード加湿温度70℃、カソード加湿温度70℃、電流密度 0.4 A/cm2、常圧の条件下において発電実験をおこなった。その結果、本実施例の構成による単セルを用いた固体高分子電解質形燃料電池は、燃料利用率85%、空気利用率60%で安定して運転することが可能なことが確認された。この値は従来の構成の単セルを用いた固体高分子電解質形燃料電池の安定運転の上限値(燃料利用率80%、空気利用率55%)を大きく超える値であり、本構成の採用により拡散層とパッキングとの隙間を流れる反応ガスの流れが効果的に遮断され、反応ガスが有効に利用されて発電効率が向上することが判った。 A fuel cell stack constructed by stacking and fastening 30 single cells as described above, using a mixed gas of 80% H 2 + 20% CO 2 as an anode reaction gas and air as a cathode reaction gas, and a stack temperature of 80 ° C. A power generation experiment was conducted under conditions of an anode humidification temperature of 70 ° C., a cathode humidification temperature of 70 ° C., a current density of 0.4 A / cm 2 , and normal pressure. As a result, it was confirmed that the solid polymer electrolyte fuel cell using the single cell according to the configuration of this example can be stably operated at a fuel utilization rate of 85% and an air utilization rate of 60%. This value greatly exceeds the upper limit of stable operation of a solid polymer electrolyte fuel cell using a single cell having a conventional configuration (fuel utilization rate 80%, air utilization rate 55%). It has been found that the flow of the reaction gas flowing through the gap between the diffusion layer and the packing is effectively cut off, and the reaction gas is effectively used to improve the power generation efficiency.
以上述べたように、周縁部を保護シートで挟持した固体高分子電解質膜の両面に触媒層と拡散層とからなる電極を配して形成されたMEAを、上記の電極に対向する領域にガス流通溝を備え、かつ、上記の周縁部に対向する領域に貫通孔からなるガス入口マニホールドとガス出口マニホールドとを備えた一組のセパレータで挟み込んで構成される単セルよりなる固体高分子電解質形燃料電池において、本発明のごとく、セパレータの、上記の周縁部に対向する領域に、ガス流通溝とこのガス流通溝を流通するガスのガス入口マニホールドとガス出口マニホールドとを取り囲んで、ガスシール用のパッキングを装着するパッキング溝を備え、さらに、このパッキング溝の電極側の沿面に、電極の側面へと延伸する凸状溝を備え、かつ、電池を加圧締め付けて組み立てたとき、パッキング溝に装着されたこのパッキングが上記の凸状溝に圧入され、電極の側面へと延伸して配設されるよう構成することとすれば、パッキングが、使用部品点数を増大させることなく、適正に、かつ容易に装着されて単セル内のガスのシールが効果的に行われるので、安価に製作可能で、かつ反応ガスの利用率の高い発電運転を安定して行うことが可能な固体高分子電解質形燃料電池を得ることができる。したがって、本発明は、各種用途の固体高分子電解質形燃料電池に効果的に適用できる。 As described above, the MEA formed by arranging the electrode composed of the catalyst layer and the diffusion layer on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane having the peripheral portion sandwiched between the protective sheets is formed in the region facing the electrode. A solid polymer electrolyte type comprising a single cell comprising a flow groove and sandwiched between a pair of separators each having a gas inlet manifold and a gas outlet manifold each having a through hole in a region facing the peripheral edge portion. In the fuel cell, as in the present invention, the gas flow groove and the gas inlet manifold and the gas outlet manifold of the gas flowing through the gas flow groove are surrounded in the region of the separator facing the peripheral edge portion, and the gas seal is used. A packing groove for mounting the packing, a convex groove extending to the side surface of the electrode on the electrode side of the packing groove, and a battery. When assembled by tightening and assembling, the packing mounted in the packing groove is press-fitted into the above-mentioned convex groove and is arranged to be extended to the side surface of the electrode. The gas is properly and easily installed and the gas in the single cell is effectively sealed without increasing the power consumption. A solid polymer electrolyte fuel cell that can be used can be obtained. Therefore, the present invention can be effectively applied to solid polymer electrolyte fuel cells for various uses.
1 燃料ガス入口マニホールド
2 燃料ガス出口マニホールド
3 酸化剤ガス入口マニホールド
4 酸化剤ガス出口マニホールド
7,7a 燃料ガス流通溝
8 パッキング溝
8a,8b 凸状溝
9 パッキング溝
10 セパレータ
13 パッキング
14 パッキング
21 固体高分子膜
22 触媒層
23 拡散層
24 保護シート
1 Fuel gas inlet manifold
2 Fuel gas outlet manifold
3 Oxidant gas inlet manifold
4 Oxidant gas outlet manifold
7, 7a Fuel gas distribution groove
8 Packing groove
8a, 8b Convex groove
9 Packing
Claims (4)
前記ガス流通溝、ガス入口マニホールドおよびガス出口マニホールドを取り囲んで、ガスシール用のパッキングを装着するパッキング溝が備えられ、
該パッキング溝の電極側の沿面に、電極の側面へと延伸する凸状溝を有し、
かつ、電池を加圧締め付けて組み立てたとき、前記パッキング溝に装着された前記パッキングが前記凸状溝に圧入され、電極の側面へと延伸して配設されることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。 A membrane electrode assembly formed by arranging an electrode composed of a catalyst layer and a diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a gas flow groove provided in a region facing the electrode, and a gas flow groove In a solid polymer electrolyte fuel cell comprising a single cell sandwiched between a pair of separators each having a gas inlet manifold and a gas outlet manifold each having a communicating through hole.
A packing groove surrounding the gas flow groove, the gas inlet manifold and the gas outlet manifold, and having a gas seal packing mounted thereon;
On the creeping side of the packing groove on the electrode side, it has a convex groove extending to the side surface of the electrode,
In addition, when the battery is assembled by pressurizing and tightening, the packing attached to the packing groove is press-fitted into the convex groove and extended to the side surface of the electrode. Electrolytic fuel cell.
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