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JP2002231262A - High polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

High polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number
JP2002231262A
JP2002231262A JP2001026010A JP2001026010A JP2002231262A JP 2002231262 A JP2002231262 A JP 2002231262A JP 2001026010 A JP2001026010 A JP 2001026010A JP 2001026010 A JP2001026010 A JP 2001026010A JP 2002231262 A JP2002231262 A JP 2002231262A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
fuel cell
separator
gas
exchange resin
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
JP2001026010A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazufumi Nishida
和史 西田
Satoru Fujii
覚 藤井
Masato Hosaka
正人 保坂
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.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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 Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2001026010A priority Critical patent/JP2002231262A/en
Publication of JP2002231262A publication Critical patent/JP2002231262A/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

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high polymer electrolyte fuel cell causing no lowering of power generation efficiency even if it is operated for a long time, by preventing corrosion of a metal, because if metallic ions produced by the corrosion of a metallic separator are diffused on a high polymer electrolyte film, and are trapped by its ion exchange site, and ionic conductivity is lowered. SOLUTION: A cation exchange resin is disposed in at least a part of the gas passage of the separator. One having alkali salt or ammonium salt as an ion exchange group is used for this cation exchange resin.

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、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステ
ム等に使用される高分子電解質型燃料電池に関するもの
で、特に金属イオンの混入を防止するための改良に関す
る。
The present invention relates to a portable power supply,
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used for a power source for an electric vehicle, a home cogeneration system, and the like, and particularly to an improvement for preventing metal ions from being mixed.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガ
スとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱と
を同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、水
素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高
分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわち
アノードとカソードから構成される。前記の電極は、通
常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分と
し、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、および
この触媒層の外面に形成される、通気性と電子伝導性を
併せ持つ拡散層からなる。電極に供給される燃料ガスお
よび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互
いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電
解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置され
る。これらのシール材やガスケットは、電極及び高分子
電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これ
をMEA(電解質膜−電極接合体)と呼ぶ。MEAの外
側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したM
EAを互いに電気的に直列に、場合によっては並列に、
接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セ
パレータ板のMEAと接触する部分には、電極面に反応
ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガ
ス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に
設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設け
てガス流路とする方式が一般的である。
2. Description of the Related Art A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen with an oxidizing gas containing oxygen such as air. . This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions, and a pair of electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode. The electrode is usually composed mainly of carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, and has a catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane, and gas permeability and electron conduction formed on the outer surface of the catalyst layer. It is composed of a diffusion layer having both properties. A gas sealing material or gasket is placed around the electrodes with a polymer electrolyte membrane between them so that the fuel gas and oxidizing gas supplied to the electrodes do not leak out and the two gases do not mix with each other. Is done. These sealing materials and gaskets are assembled in advance integrally with the electrodes and the polymer electrolyte membrane. This is called MEA (electrolyte membrane-electrode assembly). Outside of the MEA, it is mechanically fixed and the adjacent M
The EAs are electrically in series with each other, possibly in parallel,
A conductive separator plate for connection is arranged. A gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode surface and carrying away generated gas and surplus gas is formed in a portion of the separator plate that contacts the MEA. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method in which a groove is provided on the surface of the separator plate to form a gas flow path is generally used.

【0003】これらの溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを
供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞ
れ供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐
し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぐ配管治
具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記
のような燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管から直接
つなぎ込むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニ
ホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールド
と呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、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
料ガスおよび酸化剤ガスを供給するものである。燃料電
池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に
維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通
常、1〜3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられ
る。冷却部をセパレータ板とセパレータ板との間に挿入
する形式と、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて
冷却部とする形式とがあり、後者が多く利用される。こ
れらのMEAとセパレータ板および冷却部を交互に重ね
て10〜200セル積層し、その積層体を集電板と絶縁
板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定する
のが一般的な積層電池の構造である。このような高分子
電解質型燃料電池では、セパレータ板は導電性が高く、
かつ燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して気密性が高く、
さらに水素/酸素を酸化還元する際の反応に対して高い
耐食性を持つ必要がある。
In order to supply the fuel gas and the oxidizing gas to these grooves, pipes for supplying the fuel gas and the oxidizing gas are branched into the number of separator plates to be used, and the branch destination is directly connected to the separator plate. A piping jig that connects to the groove is required. This jig is referred to as a manifold, and the type directly connected from the fuel gas and oxidizing gas supply pipes as described above is referred to as an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold which has a simpler structure. In the internal manifold, 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 and an oxidizing gas are directly supplied from this hole. Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the cell in a favorable temperature state. Usually, a cooling unit for flowing cooling water is provided for every 1 to 3 cells. There are a type in which a cooling unit is inserted between separator plates, and a type in which a cooling water flow path is provided on the back surface of the separator plate to form a cooling unit, and the latter is often used. The MEA, the separator plate, and the cooling unit are alternately stacked, and 10 to 200 cells are stacked. The stacked body is generally sandwiched between end plates via a current collector plate and an insulating plate, and fixed from both ends with fastening bolts. This is the structure of a simple stacked battery. In such a polymer electrolyte fuel cell, the separator plate has high conductivity,
And high airtightness to fuel gas and oxidizing gas,
Furthermore, it is necessary to have high corrosion resistance to the reaction when redoxing hydrogen / oxygen.

【0004】このような理由から、従来のセパレータ板
は、通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン
材料で構成され、ガス流路もその表面の切削や、膨張黒
鉛の場合は型による成型により、作製されていた。従来
のカーボン板の切削による方法では、カーボン板の材料
コストと共に、これを切削するためのコストを引き下げ
ることが困難であった。また、膨張黒鉛を用いた方法も
材料コストが高く、これが実用化のための障害と考えら
れている。近年、従来より使用されたカーボン材料に代
えて、ステンレス鋼などの金属板を用いる試みが行われ
ている。しかし、上述の金属板を用いる方法では、金属
板が高温においてpH2〜3程度の酸化性の雰囲気に曝
されるため、長期間使用すると、金属板の腐食や溶解が
起こる。金属板が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増
大し、電池の出力が低下する。また、金属板が溶解する
と、溶解した金属イオンが高分子電解質膜に拡散し、こ
れが高分子電解質膜のイオン交換サイトにトラップさ
れ、結果的に高分子電解質自身のイオン伝導性が低下す
る。これらの原因により、金属板をそのままセパレータ
板に使用し、電池を長期間運転すると、発電効率が次第
に低下するという問題があった。また、セパレータがカ
ーボン材料で構成されている場合でも、通常金属を用い
たガス配管等からも金属イオンが不純物として高分子電
解質膜に拡散することも想定される。
[0004] For this reason, the conventional separator plate is usually made of a carbon material such as glassy carbon or expanded graphite, and the gas flow path is formed by cutting its surface or, in the case of expanded graphite, by molding with a mold. It had been. In the conventional method of cutting a carbon plate, it has been difficult to reduce not only the material cost of the carbon plate but also the cost for cutting the carbon plate. Also, the method using expanded graphite has a high material cost, and this is considered to be an obstacle for practical use. In recent years, attempts have been made to use a metal plate such as stainless steel in place of a conventionally used carbon material. However, in the above-described method using a metal plate, the metal plate is exposed to an oxidizing atmosphere having a pH of about 2 to 3 at a high temperature. When the metal plate is corroded, the electric resistance of the corroded portion increases, and the output of the battery decreases. When the metal plate is dissolved, the dissolved metal ions diffuse into the polymer electrolyte membrane and are trapped at ion exchange sites of the polymer electrolyte membrane. As a result, the ion conductivity of the polymer electrolyte itself is reduced. Due to these causes, there has been a problem that when the metal plate is used as it is for the separator plate and the battery is operated for a long period of time, the power generation efficiency gradually decreases. Further, even when the separator is made of a carbon material, it is also assumed that metal ions diffuse as impurities into the polymer electrolyte membrane from a gas pipe or the like using a metal.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、燃料電池に
使用されるセパレータのガス流路を改良して、金属製配
管に起因する金属イオンの拡散を防止すると共に、金属
製セパレータを使用した場合でもセパレータから高分子
電解質膜への金属イオンの拡散を防止し、耐久性にすぐ
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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention improves the gas flow path of a separator used in a fuel cell to prevent diffusion of metal ions caused by a metal pipe and to use a metal separator. Even in such a case, it is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability by preventing diffusion of metal ions from a separator to a polymer electrolyte membrane.

【0006】[0006]

【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、触媒層とガス拡散層とを有する一対の電
極、前記一対の電極によって挟持された高分子電解質
膜、前記電極の外側に配され、一方の電極へ燃料ガスを
供給するガス流路を有するセパレータ、及び他方の電極
へ酸化剤ガスを供給するガス流路を有するセパレータを
具備する単電池を、前記セパレータを介して積層した高
分子電解質型燃料電池であって、前記セパレータのガス
流路の少なくとも一部に陽イオン交換樹脂を配置したこ
とを特徴とする。前記陽イオン交換樹脂は、スルホン酸
基を有する含フッ素重合体であることが好ましい。前記
スルホン酸基は、アルカリ金属塩またはアンモニウム塩
であることが好ましい。
According to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising: a pair of electrodes having a catalyst layer and a gas diffusion layer; a polymer electrolyte membrane sandwiched between the pair of electrodes; And a separator having a gas flow path for supplying a fuel gas to one electrode, and a separator having a gas flow path for supplying an oxidizing gas to the other electrode, is stacked via the separator. And wherein a cation exchange resin is disposed in at least a part of a gas flow path of the separator. The cation exchange resin is preferably a fluorinated polymer having a sulfonic acid group. The sulfonic acid group is preferably an alkali metal salt or an ammonium salt.

【0007】本発明は、上記の高分子電解質型燃料電池
を所定時間運転した後または所定の出力低下が認められ
たときに、前記少なくとも一方のガス流路にアルカリ水
溶液を充填して、前記陽イオン交換樹脂に捕捉されたプ
ロトンを交換し燃料電池から排出させる工程を有する高
分子電解質型燃料電池の運転方法を提供する。
According to the present invention, after the above-mentioned polymer electrolyte fuel cell has been operated for a predetermined time or when a predetermined decrease in output has been observed, an alkaline aqueous solution is filled in at least one of the gas flow paths, and Provided is a method for operating a polymer electrolyte fuel cell including a step of exchanging protons trapped in an ion exchange resin and discharging the protons from the fuel cell.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
は、電極へ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するセパレー
タのガス流路が陽イオン交換樹脂によりコーティングさ
れている。この陽イオン交換樹脂は、セパレータのガス
流路に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスに混入して
いる金属イオンを捕捉して電極触媒層や高分子電解質膜
へ拡散するのを抑制する。本発明の好ましい態様におい
て、前記陽イオン交換樹脂は、スルホン酸基のようなイ
オン交換基がアルカリ金属塩またはアンモニウム塩であ
る。この構成においては、イオン交換樹脂は、プロトン
を捕捉する。陽イオン交換樹脂をR−Hで表したとき、
イオン交換基のナトリウム塩がプロトンを捕捉する反応
は次のように表される。 R−Na+H+=R−H+Na+
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a gas passage of a separator for supplying a fuel gas and an oxidizing gas to an electrode is coated with a cation exchange resin. The cation exchange resin captures metal ions mixed in the fuel gas or the oxidizing gas supplied to the gas flow path of the separator and suppresses diffusion of the metal ions into the electrode catalyst layer or the polymer electrolyte membrane. In a preferred aspect of the present invention, in the cation exchange resin, an ion exchange group such as a sulfonic acid group is an alkali metal salt or an ammonium salt. In this configuration, the ion exchange resin captures protons. When the cation exchange resin is represented by RH,
The reaction in which the sodium salt of an ion exchange group captures a proton is represented as follows. R-Na + H + = R-H + Na +

【0009】上記のようにイオン交換樹脂がプロトンを
捕捉する結果、ガス流路に供給される燃料ガス及び酸化
剤ガス中の水分はpHが高められ、金属の溶解や腐食が
生じ難くなる。例えば、鉄はpH4以上の雰囲気では溶
解や腐食は起こらない。従って、金属セパレータを用い
ても、セパレータの腐食や溶解に起因する高分子電解質
膜のイオン伝導性の低下を防止することができる。本発
明に用いる陽イオン交換樹脂としては、低価格のポリス
チレン系、フェノール系、ポリアクリル酸系などの炭化
水素系の陽イオン交換樹脂が好ましい。もちろん、高分
子電解質膜として使用されているパーフルオロスルホン
酸系のイオン交換樹脂を適用することもできる。
As a result of the ion exchange resin capturing the protons as described above, the pH of the water in the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the gas flow path is increased, and the dissolution and corrosion of the metal hardly occur. For example, iron does not dissolve or corrode in an atmosphere having a pH of 4 or more. Therefore, even if a metal separator is used, it is possible to prevent a decrease in the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane due to corrosion and dissolution of the separator. As the cation exchange resin used in the present invention, inexpensive hydrocarbon cation exchange resins such as polystyrene, phenol and polyacrylic acid are preferable. Of course, a perfluorosulfonic acid-based ion exchange resin used as a polymer electrolyte membrane can also be used.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。ここに用いられた構造図は理解を容易にするため
のものであって、各要素の相対的大きさや位置関係は必
ずしも正確ではない。 《実施例1》図1は本実施例の高分子電解質型燃料電池
の単位セルを示す縦断面図である。10は電解質膜−電
極接合体(MEA)を表す。このMEAは高分子電解質
膜11、これを挟むアノード12とカソード13からな
る。MEAの外側には、アノード側導電性セパレータ板
21とカソード側導電性セパレータ板31が配され、さ
らにその外側に集電板22と32が配置されている。こ
れを単電池として複数個が直列に接続されて積層され、
電池スタックが構成される。導電性セパレータ板21
は、アノードと接する面に燃料ガスの流路を形成する溝
41を有する。同様に、導電性セパレータ板31は、カ
ソードに接する面に酸化剤ガスの流路を形成する溝42
を有する。ここでは、アノード側導電性セパレータ板お
よびカソード側導電性セパレータ板は各々独立に作製し
たが、アノード側導電性セパレータ板およびカソード側
導電性セパレータ板を1枚のセパレータ板で構成し、そ
の一方の面をアノード側導電性セパレータとし、他方の
面をカソード側導電性セパレータとすることもできる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The structural diagrams used here are for ease of understanding, and the relative sizes and positional relationships of each element are not always accurate. Embodiment 1 FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment. Reference numeral 10 denotes an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). This MEA comprises a polymer electrolyte membrane 11, an anode 12 and a cathode 13 sandwiching the polymer electrolyte membrane. An anode-side conductive separator plate 21 and a cathode-side conductive separator plate 31 are arranged outside the MEA, and current collecting plates 22 and 32 are arranged outside the anode-side conductive separator plate 21 and the cathode-side conductive separator plate 31. As a unit cell, a plurality of cells are connected in series and stacked,
A battery stack is configured. Conductive separator plate 21
Has a groove 41 that forms a fuel gas flow path on the surface in contact with the anode. Similarly, the conductive separator plate 31 has a groove 42 that forms a flow path for the oxidizing gas on the surface in contact with the cathode.
Having. Here, the anode-side conductive separator plate and the cathode-side conductive separator plate were independently manufactured, but the anode-side conductive separator plate and the cathode-side conductive separator plate were formed of a single separator plate, and one of them was used. The surface may be an anode-side conductive separator, and the other surface may be a cathode-side conductive separator.

【0011】次に、MEAの作製方法を説明する。アセ
チレンブラックに、平均粒径約30Åの白金粒子を5
0:50の重量比で担持したものを電極の触媒とした。
この触媒粉末のイソプロパノ−ル分散液に、パーフルオ
ロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液
(旭硝子(株)のフレミオン)を混合してペースト状に
した。このペーストを原料として、スクリ−ン印刷法を
用いて、厚み250μmのカ−ボン不織布の一方の面に
触媒層を形成した。この電極中に含まれる白金量は0.
5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量
は1.2mg/cm2となるように調整した。これらの
電極は、カソード、アノードともに同一構成とし、電極
より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電
解質膜(米国デュポン社のナフィオン膜)の中心部の両
面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するようにホッ
トプレスによって接合して、MEAを作成した。
Next, a method of manufacturing the MEA will be described. Platinum particles having an average particle size of about 30 °
The catalyst supported at a weight ratio of 0:50 was used as a catalyst for the electrode.
An ethyl alcohol dispersion of perfluorocarbon sulfonic acid powder (Flemion of Asahi Glass Co., Ltd.) was mixed with an isopropanol dispersion of the catalyst powder to form a paste. Using this paste as a raw material, a catalyst layer was formed on one surface of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm by a screen printing method. The amount of platinum contained in this electrode was 0.1.
5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to 1.2 mg / cm 2. These electrodes have the same configuration for both the cathode and anode, and a catalyst layer printed on both sides of the center of a proton conductive polymer electrolyte membrane (Nafion membrane of DuPont, USA) having an area slightly larger than the electrodes has an electrolyte membrane. Joining was performed by hot pressing so as to be in contact with the side, thereby producing an MEA.

【0012】セパレータ板は、カーボン板を切削加工し
てガス流路を形成したものを使用した。次に、上記と同
じ陽イオン交換樹脂粉末のエチルアルコール分散液に、
アンモニアを30分間バブリングした。こうしてイオン
交換基をアンモニウム塩に調製した陽イオン交換樹脂の
分散液を原料としてスクリーン印刷法を用いて、セパレ
ータのガス流路の内壁面に陽イオン交換樹脂を塗布した
後、150℃で1時間加熱した。図2はセパレータ21
(31)の要部の拡大断面図を示す。セパレータ21
(31)のガス流路41(42)の内面に陽イオン交換
樹脂のコーティング層43が形成されている。このセパ
レータを上記のMEAに組み合わせて50セルを積層
し、この積層セルを集電板と絶縁板を介し、ステンレス
鋼製の端板と締結ロッドで、20kgf/cm2の圧力
で締結した。なお、セパレータとMEAのガスシールが
必要な部分は、シリコーングリースを薄く塗布すること
によってあまり導電性を低下させずにシール性を確保し
た。また、陽イオン交換樹脂をコーティングしないガス
拡散層を用いた燃料電池を比較例1とした。
As the separator plate, a separator plate having a gas passage formed by cutting a carbon plate was used. Next, the same cation exchange resin powder as above in ethyl alcohol dispersion,
Ammonia was bubbled for 30 minutes. The cation exchange resin was applied to the inner wall surface of the gas flow path of the separator by screen printing using the dispersion of the cation exchange resin in which the ion exchange group was adjusted to an ammonium salt as a raw material. Heated. FIG.
An enlarged sectional view of a main part of (31) is shown. Separator 21
A coating layer 43 of a cation exchange resin is formed on the inner surface of the gas channel 41 (42) of (31). The separator was combined with the MEA described above, and 50 cells were laminated. The laminated cell was fastened to a stainless steel end plate via a current collector plate and an insulating plate with a fastening rod at a pressure of 20 kgf / cm 2 . Note that a portion of the separator and the MEA that requires gas sealing secured the sealing properties by applying a thin layer of silicone grease without significantly lowering the conductivity. Further, a fuel cell using a gas diffusion layer not coated with a cation exchange resin was used as Comparative Example 1.

【0013】陽イオン交換樹脂をガス流路にコーティン
グしたセパレータを用いた本実施例の燃料電池と、比較
例1の燃料電池を、80〜90℃に保持し、アノード側
に75〜85℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガ
スを、またカソード側に70〜80℃の露点となるよう
に加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。その結果、
電流を外部に出力しない無負荷時には、50Vの開路電
圧を示した。これらの電池を燃料利用率80%、酸素利
用率40%、電流密度0.6A/cm2の条件で連続発
電試験を行い、出力特性の時間変化を調べた。その結果
を図3に示す。比較例1の電池は時間の経過と共に出力
が低下するのに対し、実施例1の電池は、8000時間
以上にわたって約1250W(27.5V−45A)の
電池出力を維持した。実施例1の電池は、ガス流路に陽
イオン交換樹脂をコーティングしているため、ガス流路
に供給されるガス中の水分からプロトンが捕捉され、p
Hが高くなり、金属の腐食を抑制する。その結果、触媒
層や高分子電解質膜へ拡散する金属イオンの生成が防止
されるために、長駆動時間における出力の変動や低下量
は減少した。イオン交換樹脂の処理に用いたアンモニア
水に替えて、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のア
ルカリ水溶液を用いても同様な効果が得られる。
The fuel cell of this embodiment using a separator having a gas flow channel coated with a cation exchange resin and the fuel cell of Comparative Example 1 were maintained at 80 to 90 ° C., and the anode side was heated to 75 to 85 ° C. Hydrogen gas humidified and heated to a dew point was supplied, and air humidified and heated to a dew point of 70 to 80 ° C. was supplied to the cathode side. as a result,
When no current was output to the outside and there was no load, an open circuit voltage of 50 V was shown. These cells were subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.6 A / cm 2 , and a change in output characteristics with time was examined. The result is shown in FIG. While the output of the battery of Comparative Example 1 decreased with time, the battery of Example 1 maintained a battery output of about 1250 W (27.5 V-45 A) over 8000 hours or more. In the battery of Example 1, since the gas flow channel is coated with a cation exchange resin, protons are trapped from moisture in the gas supplied to the gas flow channel, and p
H becomes high and suppresses metal corrosion. As a result, since the generation of metal ions diffusing into the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane was prevented, the output fluctuation and the amount of decrease during the long driving time were reduced. Similar effects can be obtained by using an aqueous alkaline solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide instead of the aqueous ammonia used for the treatment of the ion exchange resin.

【0014】《実施例2》実施例1と同様にして高分子
電解質型燃料電池を作製した。実施例1との相違点は、
導電性セパレータ21及び31として金属セパレータを
用いた点である。本実施例ではステンレス鋼SUS31
6板をプレス加工によって波状に加工してガスを導くた
めの溝またはリブを形成した。そして、前記溝またはリ
ブと協同してガスをその供給側から排出側に導くガス流
路を形成し、かつガスが前記ガス流路から外部に漏れる
のを防止するガスケットとして働く弾性を有する絶縁性
シートを組み合わせて使用した(WO00/01025
参照)。
Example 2 A polymer electrolyte fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is
The point is that a metal separator is used as the conductive separators 21 and 31. In this embodiment, stainless steel SUS31 is used.
The six plates were processed into a wave shape by press working to form grooves or ribs for guiding gas. An elastic insulating material that forms a gas flow path that guides the gas from the supply side to the discharge side in cooperation with the groove or the rib, and acts as a gasket that prevents the gas from leaking outside from the gas flow path. Sheets were used in combination (WO 00/01025)
reference).

【0015】図4に、本実施例の燃料電池スタックの出
力の経時変化を示す。比較例として、SUS316セパ
レータに陽イオン交換樹脂をコーティングしない燃料電
池スタックを比較例2として結果を並記した。比較例2
は、運転時間が進むにしたがって大きな出力低下が見ら
れた。この出力低下は実施例1の場合よりも大きかっ
た。これは、金属セパレータの使用により、Fe、C
r、Niなどの金属イオンが、電極触媒や高分子電解質
膜に拡散したためと考えられる。電解質膜中のスルホン
酸基が金属イオンによって置換されたイオン交換サイト
の置換率の経時変化を図5に示す。明らかに、陽イオン
交換樹脂をコーティングしたガス流路を持つ本実施例の
燃料電池スタックの方が、金属イオンに置換されている
スルホン酸基の割合が小さい。従って、金属板をセパレ
ータとして使用した場合でも、本発明のガス流路を持つ
燃料電池は長期間の運転でも安定した動作が可能であ
る。
FIG. 4 shows the change over time of the output of the fuel cell stack of this embodiment. As a comparative example, a fuel cell stack in which the SUS316 separator was not coated with a cation exchange resin was referred to as a comparative example 2, and the results were also listed. Comparative Example 2
In the case of, a large output decrease was observed as the operation time progressed. This decrease in output was greater than in the case of Example 1. This is because Fe, C
It is considered that metal ions such as r and Ni diffused into the electrode catalyst and the polymer electrolyte membrane. FIG. 5 shows a change with time of the substitution rate of the ion exchange site in which the sulfonic acid group in the electrolyte membrane was replaced by the metal ion. Obviously, the fuel cell stack of this embodiment having the gas flow channel coated with the cation exchange resin has a smaller proportion of the sulfonic acid groups substituted by metal ions. Therefore, even when the metal plate is used as the separator, the fuel cell having the gas flow path of the present invention can perform a stable operation even in a long-term operation.

【0016】《実施例3》実施例2と同様にして、ステ
ンレス鋼SUS316をセパレータとして使用した燃料
電池を作製し、実施例1と同様の条件にて連続運転を行
った。そして、運転時間が10000時間となった段階
で、燃料電池のガス流路に0.1Mの水酸化ナトリウム
水溶液を1時間ポンプで循環させた。この燃料電池の出
力変化を表1に示す。10000時間運転後の処理によ
り、初期出力に対する出力低下幅は1/2に減少した。
これは、アルカリによる処理により陽イオン交換樹脂が
再生されたことにより、MEAへの不純物イオンの拡散
量が減少したためと考えられる。Fe、Cr、Niイオ
ンによる高分子電解質膜中のイオン交換サイトの置換率
を分析した結果、表2に示すように、アルカリ処理後は
置換率が確実に減少した。
Example 3 A fuel cell using stainless steel SUS316 as a separator was manufactured in the same manner as in Example 2, and a continuous operation was performed under the same conditions as in Example 1. When the operation time reached 10,000 hours, a 0.1 M aqueous sodium hydroxide solution was circulated through the gas flow path of the fuel cell by a pump for 1 hour. Table 1 shows changes in the output of the fuel cell. By the process after the operation for 10,000 hours, the output reduction width with respect to the initial output was reduced to half.
This is presumably because the amount of impurity ions diffused into the MEA decreased due to the regeneration of the cation exchange resin by the treatment with the alkali. As a result of analyzing the replacement ratio of the ion exchange sites in the polymer electrolyte membrane by Fe, Cr, and Ni ions, as shown in Table 2, the replacement ratio was surely reduced after the alkali treatment.

【0017】[0017]

【表1】 [Table 1]

【0018】[0018]

【表2】 [Table 2]

【0019】本実施例の運転方法により、燃料電池内の
電極触媒や電解質膜への金属イオンの拡散防止が可能で
ある。さらに燃料電池を分解することなく、陽イオン交
換樹脂を再生できるために、メンテナンスの簡便化が図
れる点で有効である。
According to the operating method of this embodiment, diffusion of metal ions into the electrode catalyst and the electrolyte membrane in the fuel cell can be prevented. Further, since the cation exchange resin can be regenerated without disassembling the fuel cell, it is effective in that the maintenance can be simplified.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ガス流路
に陽イオン交換樹脂をコーティングすることにより、金
属の腐食雰囲気をなくし、電極触媒や電解質膜への金属
イオンの拡散を防止できる。従って、燃料電池を長期間
安定した出力で運転できる。また、一定時間の運転後、
あるいは一定の出力低下が認められたときには、燃料電
池にアルカリを循環させることにより、出力を回復させ
ることが可能であり、長時間安定した出力で燃料電池の
運転が可能となる。
As described above, according to the present invention, by coating a gas flow path with a cation exchange resin, the corrosive atmosphere of metal can be eliminated, and the diffusion of metal ions to the electrode catalyst and the electrolyte membrane can be prevented. . Therefore, the fuel cell can be operated at a stable output for a long time. After a certain period of operation,
Alternatively, when a certain decrease in output is recognized, the output can be recovered by circulating alkali in the fuel cell, and the fuel cell can be operated with a stable output for a long time.

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

【図1】本発明の実施例における燃料電池の単位セルを
表す縦断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view illustrating a unit cell of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】同燃料電池のセパレータの要部の拡大断面図で
ある。
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of a separator of the fuel cell.

【図3】実施例1および比較例1の燃料電池の出力特性
を示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing output characteristics of the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1.

【図4】実施例2および比較例2の燃料電池の出力特性
を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing output characteristics of the fuel cells of Example 2 and Comparative Example 2.

【図5】実施例2および比較例2の燃料電池の電解質膜
の陽イオン置換率を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing the cation substitution rate of the electrolyte membranes of the fuel cells of Example 2 and Comparative Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 MEA 11 高分子電解質膜 12 アノード 13 カソード 21 アノード側導電性セパレータ板 22、32 集電板 31 カソード側導電性セパレータ板 41、42 ガス流路 43 陽イオン交換樹脂の層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 MEA 11 Polymer electrolyte membrane 12 Anode 13 Cathode 21 Anode-side conductive separator plate 22, 32 Current collector 31 Cathode-side conductive separator plate 41, 42 Gas flow path 43 Layer of cation exchange resin

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保坂 正人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 EE18 5H027 AA06 KK51  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Masato Hosaka 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F-term (reference) 5H026 AA06 CC03 EE18 5H027 AA06 KK51

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒層とガス拡散層とを有する一対の電
極、前記一対の電極によって挟持された高分子電解質
膜、前記電極の外側に配され、一方の電極へ燃料ガスを
供給するガス流路を有するセパレータ、及び他方の電極
へ酸化剤ガスを供給するガス流路を有するセパレータを
具備する単電池を、前記セパレータを介して積層した高
分子電解質型燃料電池であって、前記セパレータのガス
流路の少なくとも一部に陽イオン交換樹脂を配置したこ
とを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
1. A pair of electrodes having a catalyst layer and a gas diffusion layer, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the pair of electrodes, and a gas flow disposed outside the electrodes and supplying a fuel gas to one of the electrodes. A separator having a passage, and a unit cell including a separator having a gas flow path for supplying an oxidizing gas to the other electrode, a polymer electrolyte fuel cell in which the separator is stacked with the separator interposed therebetween, A polymer electrolyte fuel cell, wherein a cation exchange resin is disposed in at least a part of a flow path.
【請求項2】 前記陽イオン交換樹脂がスルホン酸基を
有する含フッ素重合体である請求項1記載の高分子電解
質型燃料電池。
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the cation exchange resin is a fluoropolymer having a sulfonic acid group.
【請求項3】 前記スルホン酸基がアルカリ金属塩また
はアンモニウム塩である請求項2記載の高分子電解質型
燃料電池。
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein said sulfonic acid group is an alkali metal salt or an ammonium salt.
【請求項4】 請求項1記載の高分子電解質型燃料電池
を所定時間運転した後または所定の出力低下が認められ
たときに、前記少なくとも一方のガス流路にアルカリ水
溶液を充填して、前記陽イオン交換樹脂に捕捉されたプ
ロトンを交換し燃料電池から排出させる工程を有するこ
とを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。
4. After the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 has been operated for a predetermined time or when a predetermined decrease in output has been recognized, the at least one gas flow path is filled with an alkaline aqueous solution, A method for operating a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of exchanging protons trapped in a cation exchange resin and discharging the protons from the fuel cell.
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