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JPH06333582A - Solid polyelectrolyte fuel cell - Google Patents

Solid polyelectrolyte fuel cell

Info

Publication number
JPH06333582A
JPH06333582A JP5121781A JP12178193A JPH06333582A JP H06333582 A JPH06333582 A JP H06333582A JP 5121781 A JP5121781 A JP 5121781A JP 12178193 A JP12178193 A JP 12178193A JP H06333582 A JPH06333582 A JP H06333582A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
electrode
fuel
separator
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
JP5121781A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshihiro Sugiyama
智弘 杉山
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.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric 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 Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP5121781A priority Critical patent/JPH06333582A/en
Publication of JPH06333582A publication Critical patent/JPH06333582A/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

(57)【要約】 【目的】固体高分子電解質型燃料電池の高い効率を維持
しながらも、電解質膜に加わる集中応力を低減して,燃
料ガスと酸化剤ガスの圧力差等による電解質膜の破損の
発生度を低減することが可能な固体高分子電解質型燃料
電池を提供する。 【構成】固体高分子電解質燃料電池の単電池1は、従来
例の単電池に対して、燃料電極7Aと、酸化剤電極7B
のそれぞれの外周の外側位置に、間隔保持手段としての
スペーサ2Aおよびスペーサ2Bを設けたものである。
スペーサ2A,2Bは、燃料電極7Aあるいは酸化剤電
極7Bの厚さ寸法よりもそれぞれ0,05〔mm〕薄い
厚さ寸法(T3 ),(T4 )を持ち、セパレータ6A,
6Bの燃料電池セル7と対向する側の側面6Aa,6B
aの、燃料電極7Aあるいは酸化剤電極7Bと対向して
いない部位と、電解質膜7Cのそれぞれの主面との間に
介挿されている。
(57) [Abstract] [Objective] While maintaining the high efficiency of the solid polymer electrolyte fuel cell, the concentrated stress applied to the electrolyte membrane is reduced, and the electrolyte membrane is formed by the pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas. Provided is a solid polymer electrolyte fuel cell capable of reducing the occurrence of breakage. [Structure] A unit cell 1 of a solid polymer electrolyte fuel cell has a fuel electrode 7A and an oxidant electrode 7B as compared with a conventional unit cell.
The spacers 2A and 2B as the space holding means are provided outside the respective outer peripheries.
Spacers 2A, 2B, respectively than the thickness of the fuel electrode 7A or oxidant electrode 7B 0,05 mm and thin thickness (T 3), has a (T 4), a separator 6A,
6B, side surfaces 6Aa, 6B on the side facing the fuel cell 7
It is interposed between a portion of a, which does not face the fuel electrode 7A or the oxidizer electrode 7B, and each main surface of the electrolyte membrane 7C.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池の、固体高分子電解質膜に加わる集中応力が低
減されるよう改良された構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improved structure of a solid polymer electrolyte fuel cell in which concentrated stress applied to a solid polymer electrolyte membrane is reduced.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池として、これに使用される電解
質の種類により、固体高分子電解質型,りん酸型,溶融
炭酸塩型,固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られ
ている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池は、分
子中にプロトン(水素イオン)交換基を有する高分子樹
脂膜を飽和に含水させると,低い抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池
である。
2. Description of the Related Art As fuel cells, various types of fuel cells such as solid polymer electrolyte type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid oxide type are known, depending on the type of electrolyte used therein. Among them, the solid polymer electrolyte fuel cell shows a low resistivity when it is saturated with a polymer resin membrane having a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule, and functions as a proton conductive electrolyte. It is the fuel cell used.

【0003】図4は、従来例の固体高分子電解質燃料電
池の単電池を展開した状態で模式的に示した側面断面図
である。図4において、7は、電解質層7Cと、燃料電
極(アノード極でもある。)7Aと、酸化剤電極(カソ
ード極でもある。)7Bとで構成されている燃料電池セ
ルである。電解質層7Cは、薄い矩形状をなした固体高
分子電解質膜(以降、PE膜と略称することがある。)
からなっている。燃料電極7Aは、PE膜7Cの一方の
主面に密接して積層されて、燃料ガス(例えば、水素あ
るいは水素を高濃度に含んだガスである。)の供給を受
ける電極である。また,酸化剤電極7Bは、PE膜7C
の他方の主面に密接して積層されて、酸化剤ガス(例え
ば、空気である。)の供給を受ける電極である。燃料電
極7Aの外側面側が,燃料電池セル7の一方の側面7a
であり、酸化剤電極7Bの外側面側が,燃料電池セル7
の他方の側面7bである。燃料電極7Aおよび酸化剤電
極7Bは、共に触媒活物質を含むそれぞれの触媒層と、
この触媒層を支持するとともに反応ガス(以降、燃料ガ
スと酸化剤ガスを総称してこのように言うことが有
る。)を供給および排出するとともに集電体としての機
能を有する多孔質の電極基材とからなり、前記触媒層を
PE膜7Cの両主面にホットプレスにより密着させて配
置される。なお、燃料電極7Aならびに酸化剤電極7B
は、図4中に示すごとく、PE膜7Cの面方向の外形寸
法よりも小さい面方向の外形寸法を持つものであり、し
たがって、燃料電極7Aならびに酸化剤電極7Bの端部
とPE膜7C端部との間には、図4中に示すように寸
法;Wを持つPE膜7Cの露出面が存在することとな
る。なお、図4に示した事例では、燃料電極7Aと酸化
剤電極7Bは共に、同一の面方向の外形寸法を持つもの
である。
FIG. 4 is a side sectional view schematically showing a unit cell of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell in a developed state. In FIG. 4, reference numeral 7 is a fuel battery cell including an electrolyte layer 7C, a fuel electrode (also serving as an anode electrode) 7A, and an oxidant electrode (also serving as a cathode electrode) 7B. The electrolyte layer 7C is a thin solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, may be abbreviated as PE membrane) in a rectangular shape.
It consists of The fuel electrode 7A is an electrode that is stacked in close contact with one main surface of the PE film 7C and receives supply of a fuel gas (for example, hydrogen or a gas containing hydrogen at a high concentration). The oxidizer electrode 7B is a PE film 7C.
Is an electrode that is intimately stacked on the other main surface of the electrode and is supplied with an oxidizing gas (for example, air). The outer surface side of the fuel electrode 7A is one side surface 7a of the fuel cell unit 7.
The outer surface side of the oxidizer electrode 7B is the fuel cell 7
It is the other side surface 7b. The fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B both have respective catalyst layers containing a catalyst active material,
A porous electrode substrate that supports this catalyst layer, supplies and discharges a reaction gas (hereinafter, fuel gas and oxidant gas are collectively referred to as such), and has a function as a current collector. And the catalyst layer is placed on both main surfaces of the PE film 7C by hot pressing. The fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B
As shown in FIG. 4, the outer dimension of the PE film 7C is smaller than the outer dimension of the PE film 7C. Therefore, the end portions of the fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B and the PE film 7C end. An exposed surface of the PE film 7C having a dimension W as shown in FIG. In the case shown in FIG. 4, both the fuel electrode 7A and the oxidizer electrode 7B have the same outer dimensions in the same plane direction.

【0004】また、6Aは、ガスを透過しない材料を用
いて製作され、燃料電池セル7の一方の側面7a側に配
設されて,その片面に図示しない燃料ガスを通流させる
とともに,未消費の水素を含む燃料ガスを排出するため
の同一の間隔により複数個設けられた凹状の溝(ガス流
通用溝)61Aと、このガス流通溝61A間に介在する
凸状の隔壁62Aとが、互いに交互に形成されているセ
パレータである。6Bは、燃料電池セル7の他方の側面
7b側に配設されて,その片面に図示しない酸化剤ガス
を通流させるとともに,未消費の酸素を含む酸化剤ガス
を排出するための同一の間隔により複数個設けられた凹
状の溝(ガス流通用溝)61Bと、このガス流通溝61
B間に介在する凸状の隔壁62Bとが、互いに交互に形
成されており、セパレータ6Aと同様に、ガスを透過し
ない材料で製作されたセパレータである。
Further, 6A is made of a gas impermeable material and is disposed on one side surface 7a of the fuel cell 7 to allow a fuel gas (not shown) to flow to one side thereof and to consume unconsumed gas. A plurality of concave grooves (gas distribution grooves) 61A provided at the same intervals for discharging the hydrogen-containing fuel gas, and a convex partition wall 62A interposed between the gas distribution grooves 61A, The separators are alternately formed. 6B is disposed on the other side surface 7b side of the fuel cell unit 7 and has the same interval for discharging an oxidant gas not shown in the drawing while allowing an oxidant gas not shown to flow therethrough. A plurality of concave grooves (gas distribution grooves) 61B, and the gas distribution grooves 61B.
The convex partition walls 62B interposed between B are formed alternately with each other, and like the separator 6A, are separators made of a gas impermeable material.

【0005】なお、凸状の隔壁62A,62Bの頂部
は、それぞれ、セパレータ6A,6Bの燃料電池セルと
対向する側の側面6Aa,6Baと同一面になるように
形成されている。セパレータ6Aは、この側面6Aaを
燃料電池セル7の側面7aに密接させて、また、セパレ
ータ6Bは、この側面6Baを燃料電池セル7の側面7
bに密接させて、それぞれ燃料電池セル7を挟むように
して配設される。
The tops of the convex partitions 62A and 62B are formed so as to be flush with the side surfaces 6Aa and 6Ba of the separators 6A and 6B facing the fuel cells, respectively. The side surface 6Aa of the separator 6A is brought into close contact with the side surface 7a of the fuel cell 7, and the separator 6B has the side surface 6Ba of the side surface 7a of the fuel cell 7.
The fuel cells 7 are arranged so as to be in close contact with the fuel cell 7b.

【0006】なおまた、71は、セパレータ6A,6B
のガス流通溝61A,61B中を通流する反応ガスが、
通流路外に漏れ出るのを防止する役目を負うガスシール
体であり、それぞれのセパレータ6A,6Bの周縁部で
ある寸法(W)の露出面部と、燃料電池セル7の周縁部
との間の空所に配置されるものである。さらにまた、セ
パレータ6A,6Bは、図4中に示すごとく、燃料電極
7Aおよび酸化剤電極7Bの面方向の外形寸法よりも大
きい面方向の外形寸法を持っているものであり、図4に
示した事例では、セパレータ6A,6Bは、PE膜7C
の面方向の外形寸法と同一の面方向の外形寸法を持って
いるものである。
Further, 71 is a separator 6A, 6B.
Of the reaction gas flowing through the gas flow grooves 61A, 61B of
A gas seal body having a function of preventing leakage to the outside of the flow path, and between the exposed surface portion of the dimension (W) which is the peripheral edge portion of each separator 6A, 6B and the peripheral edge portion of the fuel cell unit 7. It will be placed in a vacant space. Furthermore, as shown in FIG. 4, the separators 6A and 6B have outer dimensions in the plane direction larger than those of the fuel electrode 7A and the oxidizer electrode 7B. In the case described above, the separators 6A and 6B are the PE film 7C.
It has the same external dimension in the surface direction as the external dimension in the surface direction.

【0007】上記した燃料電池セル7の厚さ寸法は多く
の場合に1〔mm〕以下であり、その面積は広いほど製
造原価の低減が図れることから、可能なかぎり広い面
積,例えば,1〔m2 〕程度に製作される。また、その
場合の燃料電池セル7を構成している燃料電極7Aの厚
さ寸法;T1 ,酸化剤電極7Bの厚さ寸法;T 2,およ
びPE膜7Cの厚さ寸法;T0 は、厚さ寸法(T1 )お
よび厚さ寸法(T 2)については0.3〔mm〕〜0.
4〔mm〕程度であり、厚さ寸法(T0 )については
0.1〔mm〕〜0.2〔mm〕程度である。さらに、
燃料電池セル7と、これを挟むように配設されるセパレ
ータ6A,6Bとで構成された単電池5の厚さ寸法は、
通常,10〔mm〕程度である。
In many cases, the thickness of the fuel cell 7 is 1 [mm] or less, and the larger the area, the lower the manufacturing cost. Therefore, the largest area possible, for example, 1 [mm] m 2 ]. Further, in that case, the thickness dimension of the fuel electrode 7A constituting the fuel cell 7; T 1 , the thickness dimension of the oxidizer electrode 7B; T 2 , and the thickness dimension of the PE film 7C; T 0 are The thickness dimension (T 1 ) and the thickness dimension (T 2 ) are 0.3 mm to 0.
It is about 4 [mm], and the thickness dimension (T 0 ) is about 0.1 [mm] to 0.2 [mm]. further,
The thickness dimension of the unit cell 5 including the fuel cell 7 and the separators 6A and 6B arranged so as to sandwich the fuel cell 7 is as follows.
Usually, it is about 10 mm.

【0008】1個の燃料電池セル7が発生する電圧は、
1〔V〕程度以下と低い値であるので、前記した構成を
持つ単電池5の多数個を、各燃料電池セル7と,これに
介挿されるセパレータ6A,6Bを介して、互いに直列
接続した燃料電池セル集積体(以降、スタックと略称す
ることがある。)として構成し、電圧を高めて実用に供
されるのが一般的である。
The voltage generated by one fuel battery cell 7 is
Since the value is as low as about 1 [V] or less, a large number of the unit cells 5 having the above-mentioned configuration are connected in series with each other through each fuel cell 7 and the separators 6A and 6B inserted therein. It is generally configured as a fuel cell integrated body (hereinafter, may be abbreviated as a stack), and is generally put to practical use by increasing the voltage.

【0009】図5は、固体高分子電解質型燃料電池のス
タックの模式的に示した構成図である。図5において、
8は、複数の単電池5を積層し、さらにその両端部に複
数の単電池5の持つ燃料電池セル7で発生した直流電気
を取り出すための集電板81a,81bと、単電池5お
よび集電板81a,81bを構造体から電気的に絶縁す
るための電気絶縁板82a,82bと、単電池5,集電
板81a,81b、および電気絶縁板82a,82bを
積層した積層体の両外端部に配設される締付板83a,
83bと、締付板83a,83bに適度の加圧力を与え
る締め付けボルト84を備え、これらに加えて、複数の
単電池5を積層する毎に介挿される冷却体85とで構成
されている固体高分子電解質型燃料電池のスタックであ
る。このように構成されたスタック8において、セパレ
ータ6A,6Bは、ガス流通溝61A,61B中を通流
する反応ガスの流れ方向が、図5中に矢印で示したごと
く、その供給側を重力方向に対して上側に、その排出側
を重力方向に対して下側になるように配置される。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a stack of a solid polymer electrolyte fuel cell. In FIG.
Reference numeral 8 is a stack of a plurality of unit cells 5, and current collector plates 81a and 81b for collecting direct current electricity generated in the fuel cells 7 of the plurality of unit cells 5 at both ends thereof, the unit cells 5 and a collector plate. Both sides of the laminated body in which the electric insulating plates 82a and 82b for electrically insulating the electric plates 81a and 81b from the structure, the unit cells 5, the current collecting plates 81a and 81b, and the electric insulating plates 82a and 82b are laminated. Tightening plate 83a arranged at the end,
83b and a tightening bolt 84 for applying an appropriate pressing force to the tightening plates 83a and 83b, and in addition to these, a cooling body 85 that is inserted every time a plurality of unit cells 5 are stacked. It is a polymer electrolyte fuel cell stack. In the stack 8 configured in this way, the separators 6A and 6B are arranged such that the flow direction of the reaction gas flowing through the gas flow grooves 61A and 61B is the gravity direction on the supply side as indicated by the arrow in FIG. On the upper side, the discharge side is arranged on the lower side with respect to the gravity direction.

【0010】燃料電池セル7においては、後記する直流
電気の発電を行う際に、発電する電力とほぼ同等量の損
失が発生する。この損失による熱を除去するのが前記の
冷却体85の役目である。冷却体85には、熱を除去す
るための図示しない水,空気等の冷媒を通流させて、燃
料電池セル7を後記する適温に保持する。したがって、
図5に示した構成のスタック8においては、セパレータ
6A,6Bは、反応ガスの透過を防止すること、ガス流
通用溝61A,61Bにより,燃料電池セル7に供給す
る反応ガスの通流路を確保することと共に、燃料電池セ
ル7で発電された直流電気および燃料電池セル7で生じ
た損失による熱を、凸状の隔壁62A,62Bを介して
集電板81a,81bおよび冷却体85に伝達する役目
も果たしていることとなる。これらの役目を確実に達成
するためには、セパレータ6A,6Bに用いる材料は、
次記する性質を備えている必要が有るものである。すな
わち、 電気抵抗値が小さいこと. 熱抵抗値が小さいこと. 燃料電極7Aあるいは酸化剤電極7Bとの接触部にお
ける、接触電気抵抗値および接触熱抵抗値が小さいこ
と. 耐蝕性が高いこと. である。
In the fuel cell 7, when generating direct current electricity, which will be described later, a loss equivalent to the amount of electric power generated is generated. The role of the cooling body 85 is to remove the heat due to this loss. A coolant such as water or air (not shown) for removing heat is passed through the cooling body 85 to keep the fuel cell unit 7 at an appropriate temperature described later. Therefore,
In the stack 8 having the configuration shown in FIG. 5, the separators 6A and 6B prevent the permeation of the reaction gas, and the flow passages of the reaction gas to be supplied to the fuel cell 7 are formed by the gas circulation grooves 61A and 61B. The heat generated by the direct current electricity generated in the fuel cell unit 7 and the loss generated in the fuel cell unit 7 is transmitted to the current collector plates 81a, 81b and the cooling body 85 through the convex partition walls 62A, 62B while being secured. The role to do is also fulfilled. In order to surely achieve these roles, the materials used for the separators 6A and 6B are
It is necessary to have the following properties. That is, the electric resistance value is small. Small thermal resistance value. The contact electric resistance value and the contact thermal resistance value are small at the contact portion with the fuel electrode 7A or the oxidizer electrode 7B. High corrosion resistance. Is.

【0011】これらの諸条件を満足する材料としては、
カーボン、あるいはチタン,ニオブ等の特殊金属等を候
補にあげることができるが、加工性,材料価格の観点か
ら、セパレータ6A,6Bに用いる材料は、多くの場合
にカーボンが採用されている。カーボンを使用したセパ
レータ6A,6Bの素材は、微小なカーボン粒子を焼結
して,まず平板状体を得て、こうして得られた多孔質の
平板状体のカーボン粒子間に形成された孔に、フェノー
ル樹脂等の目詰め剤を含浸させたものが一般的に採用さ
れている。この、目詰め剤処理は、多孔質平板状体のカ
ーボン粒子間に形成された孔の目詰めをして、セパレー
タ6A,6B中を透過して反応ガスが漏れ出るのを防止
するために行われるものである。こうして得られた目詰
め剤処理済のカーボン多孔質平板状体に、ガス流通用溝
61A,61Bを形成する加工を施して、セパレータ6
A,6Bとして供している。
Materials satisfying these various conditions are:
Although carbon or a special metal such as titanium or niobium can be used as a candidate, carbon is often used as the material for the separators 6A and 6B from the viewpoints of workability and material cost. The material of the separators 6A and 6B using carbon is that fine carbon particles are sintered to obtain a plate-like body first, and the pores formed between the carbon particles of the porous plate-like body thus obtained are formed. A resin impregnated with a filling agent such as phenol resin is generally used. This treatment of the filling agent is performed to fill the pores formed between the carbon particles of the porous flat plate-like body and prevent the reaction gas from leaking out through the separators 6A and 6B. It is something that will be done. The carbon porous flat plate body thus treated with the packing material is processed to form the gas distribution grooves 61A and 61B, and the separator 6 is formed.
It serves as A and 6B.

【0012】さらに、スタック8では、燃料電池セル7
から集電板81a,81bおよび冷却体85に至る間の
電気抵抗,熱抵抗を小さく抑えることが、燃料電池の特
性を向上することになるので、各接触部における電気抵
抗値および熱抵抗値の低減を図るために、常に一定の圧
力が加わるように締め付けボルト84により加圧されて
いる。一般にこの加圧力は数〔kg/cm2〕程度である。
Further, in the stack 8, the fuel cell 7
Since the electrical resistance and thermal resistance between the battery and the current collectors 81a and 81b and the cooling body 85 are suppressed to be small, the characteristics of the fuel cell are improved. In order to reduce the pressure, the tightening bolt 84 applies pressure so that a constant pressure is always applied. Generally, this pressure is about several kg / cm 2 .

【0013】以上の構成を備えたスタック8において
は、複数の燃料電池セル7が備える燃料電極7Aおよび
酸化剤電極7Bのそれぞれに、燃料電極7Aには燃料ガ
スを、また、酸化剤電極7Bに酸化剤ガスを供給するこ
とで、それぞれの電極7A,7Bの触媒層とPE膜でな
る電解質層7Cとの界面に三相界面(前記触媒層中の触
媒と、PE膜、いずれかの反応ガスとが、互い接する界
面のことを言う。)を形成させ、電気化学反応を生じさ
せることで直流電気を発生させる。なお前記触媒層は、
微小な粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂
から形成されており、しかも多数の細孔を形成すること
で、反応ガスの三層界面までの効率的な拡散を維持する
するとともに、十分広い面積の三層界面が形成される構
成としている。
In the stack 8 having the above structure, the fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B respectively provided in the plurality of fuel cells 7 are supplied with fuel gas and the oxidant electrode 7B with fuel gas. By supplying the oxidant gas, a three-phase interface (the catalyst in the catalyst layer, the PE film, and either reaction gas) is formed at the interface between the catalyst layer of each of the electrodes 7A and 7B and the electrolyte layer 7C made of the PE film. Means an interface contacting each other), and direct current electricity is generated by causing an electrochemical reaction. The catalyst layer is
It is formed from a fine particulate platinum catalyst and a fluororesin with water repellency, and by forming a large number of pores, while maintaining efficient diffusion of the reaction gas to the three-layer interface, The three-layer interface having a sufficiently large area is formed.

【0014】ところで、電解質層7Cを形成しているP
E膜は、前述したとおり、分子中にプロトン(水素イオ
ン)交換基を有する高分子膜であり、飽和に含水させる
と常温で20〔Ω・cm〕以下の抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能する膜である。このPE膜の
飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。なお,
PE膜としては、現時点においては、パ−フルオロスル
ホン酸樹脂膜(例えば、米国、デュポン社製、商品名ナ
フィオン膜)等が知られている。このようなPE膜を用
いた電解質層7Cと、触媒層と、反応ガスとが形成する
三相界面で生じる電気化学反応は、次のとおりである。
By the way, P forming the electrolyte layer 7C
As described above, the E membrane is a polymer membrane having a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule, and shows a resistivity of 20 [Ω · cm] or less at room temperature when it is saturated with water and exhibits a proton conductive electrolyte. It is a film that functions as. The saturated water content of this PE membrane reversibly changes with temperature. In addition,
As the PE film, at present, a perfluorosulfonic acid resin film (for example, Nafion film manufactured by DuPont, USA) is known. The electrochemical reaction that occurs at the three-phase interface formed by the electrolyte layer 7C using such a PE film, the catalyst layer, and the reaction gas is as follows.

【0015】アノード電極7Aでは(1)式の反応が起
こる。
At the anode electrode 7A, the reaction of the formula (1) occurs.

【0016】[0016]

【数1】 [Equation 1]

【0017】カソード電極7Bでは(2)式の反応が起
こる。
At the cathode electrode 7B, the reaction of the formula (2) occurs.

【0018】[0018]

【数2】 [Equation 2]

【0019】つまりアノード電極7Aにおいては、外部
より供給された水素がプロトンと電子を生成する。この
生成されたプロトンは、PE膜7C中をカソード電極7
Bに向かって移動し、電子は、図示しない外部電気回路
を通ってカソード電極7Bに移動する。一方、カソード
電極7Bにおいては、外部より供給された酸素とPE膜
7C中をアノード電極7Aより移動してきたプロトンと
外部電気回路より移動してきた電子が反応し、水分を生
成する。かくして、燃料電池セル7は、水素と酸素を得
て直流電気を発電するのである。このような固体高分子
電解質型燃料電池においては、PE膜7Cの抵抗率を小
さくして高い発電効率が得られるようにするために、通
常、50〔℃〕から100〔℃〕程度の温度条件で運転
される。なお、このPE膜7Cは、反応ガスである燃料
ガスや酸化剤ガスが透過しない膜でもあるので、反応ガ
スが相互に混合するいわゆるクロスリークを防止する役
目も果たしている。
That is, at the anode electrode 7A, hydrogen supplied from the outside produces protons and electrons. The generated protons pass through the PE film 7C into the cathode electrode 7
The electrons move toward B and move to the cathode electrode 7B through an external electric circuit (not shown). On the other hand, in the cathode electrode 7B, oxygen supplied from the outside reacts with the protons moving from the anode electrode 7A in the PE film 7C and the electrons moving from the external electric circuit to generate water. Thus, the fuel cell 7 obtains hydrogen and oxygen to generate direct current electricity. In such a solid polymer electrolyte fuel cell, in order to reduce the resistivity of the PE film 7C and obtain high power generation efficiency, a temperature condition of about 50 [° C.] to 100 [° C.] is usually used. Be driven in. Since the PE film 7C is also a film that does not allow the reaction gas such as the fuel gas and the oxidant gas to pass through, it also plays the role of preventing so-called cross leak in which the reaction gases are mixed with each other.

【0020】なおまた、セパレータとしては、前述した
溝61Aあるいは溝61Bを一方の側面のみに配設した
構成のセパレータ6A,6B以外に、スタック構成の際
に互いに隣接するセパレータの溝も一体に形成すること
で,スタック構成の合理化を図るために、ガス流通溝6
1A,61Bをその両側面に配設するようにしたセパレ
ータも知られている。
Further, as the separator, in addition to the separators 6A and 6B in which the groove 61A or the groove 61B is arranged on only one side surface, the grooves of the separators adjacent to each other in the stack structure are also integrally formed. By doing so, in order to rationalize the stack configuration, the gas flow groove 6
There is also known a separator in which 1A and 61B are arranged on both side surfaces thereof.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
るセパレータを用いた固体高分子電解質型燃料電池にお
いては、直流発電の機能を十分に発揮するのであるが、
次記する問題が有る。すなわち、固体高分子電解質型燃
料電池の電解質であるPE膜7Cには、圧力を加え続け
られるとクリープを生じて、その膜厚が減少するという
性質が有る。特に、運転温度が高い場合、膜内に水を十
分に含んでいる場合、狭い面積に高い圧力が加えられて
いる場合などにおいては、クリープの進行が速くなる性
質が有る。固体高分子電解質型燃料電池は、前述のとお
り、運転温度を高めるとともに、PE膜7Cが十分に水
を含んでいる状態で運転を行うために、PE膜7Cはク
リープを生じやすい状態に置かれていることになる。
In the solid polymer electrolyte fuel cell using the separator according to the above-mentioned conventional technique, the function of direct current power generation is sufficiently exhibited.
There are the following problems. That is, the PE film 7C, which is the electrolyte of the solid polymer electrolyte fuel cell, has the property that creep occurs when pressure is continuously applied and the film thickness thereof decreases. In particular, when the operating temperature is high, when the film contains sufficient water, when high pressure is applied to a small area, the creep progresses rapidly. As described above, the solid polymer electrolyte fuel cell is operated in a state where the operating temperature is raised and the PE film 7C sufficiently contains water, so that the PE film 7C is placed in a state where creep easily occurs. Will be.

【0022】さらに、従来例の固体高分子電解質型燃料
電池では、単電池5を構成するセパレータ6Aおよびセ
パレータ6Bの持つ凸状の隔壁62A,62Bは、図4
中に示したごとく、燃料電池セル7を介して互に対向す
る位置に配置される構成となっている。この結果、この
凸状の隔壁62A,62Bの頂部で挟まれた位置にある
PE膜7Cは、燃料電極7Aおよび酸化剤電極7Bを介
して、前記頂部で膜の両側から押圧されて集中荷重を受
けることにより、クリープを生じることとなり、これに
よりその膜厚が減少してしまうことが有った。PE膜7
Cに膜厚の減少が発生すると、その部分でPE膜7Cの
引張り強度が低下し、燃料電池を長時間運転していると
この部分で燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差等によりPE
膜7Cが破損し、図6に例示するように燃料電池の運転
の継続が不能になる場合が有った。
Furthermore, in the conventional solid polymer electrolyte fuel cell, the convex partition walls 62A and 62B of the separator 6A and the separator 6B constituting the unit cell 5 are as shown in FIG.
As shown in the figure, the fuel cells 7 are arranged so as to face each other. As a result, the PE film 7C located at the position sandwiched by the tops of the convex partition walls 62A and 62B is pressed from both sides of the film at the tops via the fuel electrode 7A and the oxidizer electrode 7B to apply a concentrated load. Upon receiving it, creep occurs, which may reduce the film thickness. PE film 7
When the film thickness decreases in C, the tensile strength of the PE film 7C decreases at that portion, and when the fuel cell is operated for a long time, PE becomes due to the pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas at this portion.
In some cases, the membrane 7C was damaged, making it impossible to continue the operation of the fuel cell as illustrated in FIG.

【0023】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、固体高分子電解質
型燃料電池の高い効率を維持しながらも、PE膜に加わ
る集中応力を低減して,燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差
等によるPE膜の破損の発生度を低減することが可能な
固体高分子電解質型燃料電池を提供することに有る。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to reduce the concentrated stress applied to the PE membrane while maintaining the high efficiency of the solid polymer electrolyte fuel cell. Another object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell that can reduce the occurrence of damage to the PE membrane due to the pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 1)燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発電する燃料電池セルと、この燃料電池セルの両側に
配置されて,燃料電池セルに燃料ガスまたは酸化剤ガス
を供給するための複数個のガス流通溝を有するセパレー
タとを備え、燃料電池セルは、PE膜でなる電解質層
と、このPE膜の二つの主面のそれぞれに密着して配置
されて,PE膜の面方向の外形寸法よりも小さい面方向
の外形寸法を持つ電極とを有するものであり、セパレー
タは、燃料電池セルと対向する側の側面に、複数個のガ
ス流通用の凹状の溝と、互いに隣接する凹状の溝の間に
介在する凸状の隔壁とが形成されているとともに、電極
の面方向の外形寸法よりも大きい面方向の外形寸法を持
つものである、固体高分子電解質型燃料電池において、
セパレータの燃料電池セルと対向する側の側面と,PE
膜の主面との間の間隔寸法を保持するための間隔保持手
段を備えた構成とすること、また 2)前記1項記載の手段において、間隔保持手段は、セ
パレータが持つ燃料電池セルと対向する側の側面の,電
極と対向していない部位と、PE膜の主面との間に介挿
されたスペーサである構成とすること、さらにまた 3)前記1項記載の手段において、間隔保持手段は、セ
パレータの燃料電池セルと対向する側の側面の,電極と
対向していない部分に形成された突起部である構成とす
ること、により達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, the above-mentioned objects are as follows: 1) A fuel battery cell for receiving a supply of a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, and arranged on both sides of the fuel battery cell. A fuel cell having a separator having a plurality of gas flow grooves for supplying a fuel gas or an oxidant gas to the fuel cell, the fuel cell having an electrolyte layer made of a PE film and two main surfaces of the PE film. And an electrode having an outer dimension in the plane direction smaller than the outer dimension in the plane direction of the PE film, and the separator is on a side surface facing the fuel cell, A plurality of concave grooves for gas flow and a convex partition wall interposed between the concave grooves adjacent to each other are formed, and the external dimension in the surface direction larger than the external dimension in the surface direction of the electrode. Is to have, In the solid polymer electrolyte fuel cell,
The side surface of the separator facing the fuel cell, PE
The structure is provided with a space holding means for holding the space dimension between the main surface of the membrane and 2) In the means described in the above item 1, the space holding means is opposed to the fuel cell of the separator. The side surface of the side of the PE film, which is not facing the electrode, is a spacer interposed between the main surface of the PE film, and 3) in the means described in 1 above. The means can be achieved by a configuration in which the separator is a protrusion formed on a side surface of the separator on the side facing the fuel cell, the side surface not facing the electrode.

【0025】[0025]

【作用】この発明においては、 固体高分子電解質型燃料電池において、例えば、セパ
レータが持つ燃料電池セルと対向する側の側面の,電極
と対向していない部分と,PE膜の主面との間に介挿さ
れたスペーサ等の、セパレータの燃料電池セルが持つ電
極と接する側の側面と、PE膜の主面との間の間隔寸法
を保持するための間隔保持手段を備えた構成とすること
により、両セパレータの燃料電池セルが持つ電極と接す
る側の側面の間隔は、間隔保持手段の持つ厚さとPE膜
の厚さの和に保持される。これにより、PE膜は、両セ
パレータの持つ凸状の隔壁の頂部により、燃料電極およ
び酸化剤電極を介して、その両側から過度に押圧される
ことが無くなるので、前記両頂部で押圧されることが原
因で発生していた過度のクリープの発生が解消される。
また 間隔保持手段として、セパレータの燃料電池セルと対
向する側の側面の,電極と対向していない部分に形成さ
れた突起部である構成とすることにより、項による作
用を達成するにあたり、スペーサを別個に準備する必要
が無くなる。
According to the present invention, in the solid polymer electrolyte fuel cell, for example, between the portion of the side surface of the separator facing the fuel cell and not facing the electrode, and the main surface of the PE membrane. A spacer holding means for holding a gap between the main surface of the PE membrane and the side surface of the separator, such as a spacer, which is in contact with the electrode of the fuel cell, and the main surface of the PE membrane. As a result, the distance between the side surfaces of the two separators on the side in contact with the electrodes of the fuel cells is held at the sum of the thickness of the distance holding means and the thickness of the PE film. As a result, the PE membrane is prevented from being excessively pressed from both sides thereof via the fuel electrode and the oxidizer electrode by the top portions of the convex partition walls of both separators. The excessive creep that was caused by is eliminated.
In addition, when the space holding means is a protrusion formed on a side surface of the separator facing the fuel cell, the side surface not facing the electrode, a spacer is used to achieve the action according to the paragraph. There is no need to prepare separately.

【0026】[0026]

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。 実施例1;図1は、請求項1,2に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質燃料電池の単電池を展
開した状態で模式的に示した側面断面図である。図4に
示した従来例の固体高分子電解質燃料電池の単電池と同
一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図1
において、1は、図4に示した従来例の固体高分子電解
質燃料電池の単電池5に対して、燃料電極7Aと酸化剤
電極7Bの外周のそれぞれの外側の部位(あるいは、寸
法(W)を持つPE膜7Cの露出面部と対向している部
位と言うこともできる。)に、間隔保持手段としてのス
ペーサ2Aおよびスペーサ2Bを設けるようにした固体
高分子電解質燃料電池の単電池である。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Embodiment 1; FIG. 1 is a side sectional view schematically showing an unfolded unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention corresponding to claims 1 and 2. The same parts as those of the unit cell of the conventional solid polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 4 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Figure 1
In the figure, 1 is a portion outside the outer periphery of the fuel electrode 7A and the oxidizer electrode 7B (or the dimension (W) with respect to the unit cell 5 of the conventional solid polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. It can also be said that it is a portion facing the exposed surface portion of the PE film 7C having a spacer. 2A and a spacer 2B as a space maintaining means is provided as a unit cell of the solid polymer electrolyte fuel cell.

【0027】スペーサ2Aは、厚さ寸法;T3 を持ち、
セパレータ6Aの燃料電池セル7と対向する側の側面6
Aaの,PE膜7Cの露出面部と対向している部位と、
PE膜7Cの一方の主面との間に介挿されている。ま
た、スペーサ2Bは、厚さ寸法;T4 を持ち、セパレー
タ6Bの燃料電池セル7と対向する側の側面6Baの,
PE膜7Cの露出面部と対向している部位と、PE膜7
Cの他方の主面との間に介挿されている。
The spacer 2A has a thickness dimension; T 3 ,
Side surface 6 of separator 6A on the side facing fuel cell 7
A portion of Aa facing the exposed surface portion of the PE film 7C,
It is interposed between the PE film 7C and one main surface of the PE film 7C. Further, the spacer 2B has a thickness dimension; T 4, and has a side surface 6Ba on the side of the separator 6B facing the fuel cell unit 7,
A portion of the PE film 7C facing the exposed surface portion, and the PE film 7C.
It is inserted between the other main surface of C.

【0028】ここで、スペーサ2Aの厚さ寸法(T3
は、燃料電極7Aの厚さ寸法(T1)よりも0.05
〔mm〕薄く、スペーサ2Bの厚さ寸法(T4 )は、酸
化剤電極7Bの厚さ寸法(T 2)よりも0.05〔m
m〕薄く設定されている。また、これらのスペーサ2
A,2Bに用いる素材としては、セパレータ6A,6B
の備えるべき性質と一部共通する下記の性質を備える必
要があるものである。すなわち、固体高分子電解質燃料
電池の単電池1の最高運転温度条件における、 耐蝕性. 耐熱性. 適度の剛性. を備えていることである。
Here, the thickness dimension (T 3 ) of the spacer 2A
Is 0.05 than the thickness dimension (T 1 ) of the fuel electrode 7A.
[Mm] It is thinner, and the thickness dimension (T 4 ) of the spacer 2B is 0.05 [m] than the thickness dimension (T 2 ) of the oxidizer electrode 7B.
m] It is set thin. Also, these spacers 2
The materials used for A and 2B are separators 6A and 6B.
It is necessary to have the following properties that are partly common to the properties to be possessed by. That is, the corrosion resistance at the maximum operating temperature condition of the unit cell 1 of the solid polymer electrolyte fuel cell. Heat-resistant. Moderate rigidity. Is equipped with.

【0029】この条件を備えていることでスペーサ2
A,2Bに用いることが可能な素材は、カーボン、チタ
ン等の特殊金属、熱硬化性合成樹脂、耐熱性を持つ一部
の熱可塑性合成樹脂(例えば、ポリカーボネイト、ポリ
アミド、ポリエーテルエーテル、ポリエーテルスルフォ
ン、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン。)等
である。
By having this condition, the spacer 2
Materials that can be used for A and 2B include carbon, special metals such as titanium, thermosetting synthetic resins, and some thermoplastic synthetic resins having heat resistance (for example, polycarbonate, polyamide, polyether ether, polyether). Sulfone, polyphenylene sulfide, polysulfone, etc.).

【0030】上記による構成を備える単電池1を、図5
に例示した固体高分子電解質型燃料電池のスタック8に
おける従来例の単電池5に替えて使用することで、固体
高分子電解質型燃料電池のスタックが構成される。この
発明では前述の構成としたので、セパレータ6Aの側面
6Aaと、セパレータ6Bの側面6Baとの間隔は、ス
ペーサ2Aの厚さ寸法(T3 )と,スペーサ2Bの厚さ
寸法(T4 )と,PE膜7Cの厚さ寸法(T0 )との総
和寸法に保持される。ところで、従来例のスタック8と
同様に、この実施例のよるスタックを構成する際にも、
燃料電池セル7から集電板81a,81bおよび冷却体
85に至る間の電気抵抗,熱抵抗を小さく抑えるため
に、例えば数〔kg/cm2〕程度の加圧力により締め付けボ
ルト84により加圧される。しかしながら上記のとお
り、セパレータ6Aの側面6Aaと,セパレータ6Bの
側面6Baとの間隔は、スペーサ2Aの厚さ寸法
(T3 )と,スペーサ2Bの厚さ寸法(T4 )と,PE
膜7Cの厚さ寸法(T0 )との総和寸法に保持されてい
るために、燃料電池セル7〔その厚さ寸法は、燃料電極
7Aの厚さ寸法(T1 )と、酸化剤電極7Bの厚さ寸法
(T 2)と、PE膜7Cの厚さ寸法(T0 )との総和寸
法を持っている。〕は、その際に、スペーサ2Aの厚さ
寸法(T3 )と燃料電極7Aの厚さ寸法(T 1 )との差
寸法と、スペーサ2Bの厚さ寸法(T4 )と酸化剤電極
7Bの厚さ寸法(T 2)との差寸法との総和寸法である
0.1〔mm〕だけ圧縮されるだけである。
A unit cell 1 having the above-described structure is shown in FIG.
In the stack 8 of the solid polymer electrolyte fuel cell illustrated in
By replacing the unit cell 5 of the conventional example in
A polymer electrolyte fuel cell stack is constructed. this
Since the invention has the above-described configuration, the side surface of the separator 6A
The distance between 6Aa and the side surface 6Ba of the separator 6B is
Thickness of pacer 2A (T3) And the thickness of the spacer 2B
Dimension (TFour) And the thickness of the PE film 7C (T0) With
Maintained in Japanese dimensions. By the way, with the conventional stack 8
Similarly, when constructing the stack according to this embodiment,
From fuel cell 7 to current collectors 81a, 81b and cooling body
To keep electrical resistance and heat resistance to 85 low
For example, number (kg / cm2] Tightening
The pressure is applied by the belt 84. However, the above
Of the side surface 6Aa of the separator 6A and the separator 6B.
The distance from the side surface 6Ba is the thickness dimension of the spacer 2A.
(T3) And the thickness of the spacer 2B (TFour) And PE
Thickness of the film 7C (T0) And the total dimensions
In order to ensure that the fuel cell 7
7A thickness (T1) And the thickness dimension of the oxidizer electrode 7B
(T2) And the thickness of the PE film 7C (T0) Total size
Have the law ] Is the thickness of the spacer 2A at that time
Dimension (T3) And the thickness dimension of the fuel electrode 7A (T 1) Difference
And the thickness of the spacer 2B (TFour) And oxidizer electrode
7B thickness (T2) Is the sum of the difference and
It is only compressed by 0.1 mm.

【0031】すでに説明したとおり、燃料電極7Aおよ
び酸化剤電極7Bは共に、微小な粒子状の白金触媒とは
っ水性を有するフッ素樹脂から形成された多数の細孔を
有する触媒層と、この触媒層を支持する多孔質の電極基
材とから構成されているものであるから、比較的に圧縮
され易い部材である。したがって、スタックの組み立て
時に燃料電池セル7に発生する0.1〔mm〕の圧縮
は、ほとんど燃料電極7Aおよび酸化剤電極7Bが圧縮
されることで吸収されることになる。このために、この
実施例のよるスタックの場合においては、PE膜7C
は、燃料電極7Aおよび酸化剤電極7Bを介して、両セ
パレータ6A,6Bの持つ凸状の隔壁62A,62Bの
頂部により、その両側から過度に押圧されることが無く
なるので、前記両頂部で押圧されることが原因でPE膜
7Cに発生していた過度のクリープの発生を解消するこ
とが可能となる。
As described above, the fuel electrode 7A and the oxidizer electrode 7B are both a fine particle platinum catalyst and a catalyst layer having a large number of pores formed from a fluororesin having water repellency, and this catalyst. Since it is composed of a porous electrode base material that supports the layer, it is a member that is relatively easily compressed. Therefore, the compression of 0.1 [mm] generated in the fuel cell 7 during the assembly of the stack is almost absorbed by the compression of the fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B. For this reason, in the case of the stack according to this embodiment, the PE film 7C
Is prevented from being excessively pressed from both sides of the convex partition walls 62A and 62B of the separators 6A and 6B via the fuel electrode 7A and the oxidizer electrode 7B, so that the pressure is applied to both the top parts. It is possible to eliminate the occurrence of excessive creep that has occurred in the PE film 7C due to this.

【0032】実施例2;図2は、請求項1,3に対応す
るこの発明の一実施例による固体高分子電解質燃料電池
の単電池を展開した状態で模式的に示した側面断面図で
ある。図4に示した従来例の固体高分子電解質燃料電池
の単電池と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省
略する。図2において、3は、図4に示した従来例の固
体高分子電解質燃料電池の単電池5に対して、セパレー
タ6A,6Bに替えてセパレータ4A,4Bを用いるよ
うにした固体高分子電解質燃料電池の単電池である。
Embodiment 2; FIG. 2 is a side sectional view schematically showing a unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention corresponding to claims 1 and 3 in a developed state. . The same parts as those of the unit cell of the conventional solid polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 4 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. In FIG. 2, 3 is a solid polymer electrolyte fuel in which the separators 4A and 4B are used instead of the separators 6A and 6B in the unit cell 5 of the conventional solid polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. It is a battery cell.

【0033】セパレータ4Aは、図4に示したセパレー
タ6Aに対して、セパレータ6Aの燃料電池セル7と対
向する側の側面6Aaの,燃料電極7Aと対向していな
い部位(あるいは、寸法(W)を持つPE膜7Cの露出
面部と対向している部位と言うこともできる。)に、側
面6Aaから燃料電池セル7に向かって突き出された,
間隔保持手段としての突起部41Aが追加して形成され
ているものである。この突起部41Aの突起側面4Aa
の側面6Aaからの突出高さ寸法は、T5 である。ま
た、セパレータ4Bは、図4に示したセパレータ6Bに
対して、セパレータ6Aの燃料電池セル7と対向する側
の側面6Baの、燃料電極7Aと対向していない部位
(あるいは、寸法(W)を持つPE膜7Cの露出面部と
対向している部位と言うこともできる。)に、側面6B
aから燃料電池セル7に向かって突き出された,間隔保
持手段としての突起部41Bが追加して形成されている
ものである。この突起部41Bの突起側面4Baの側面
6Baからの突出高さ寸法は、T6 である。セパレータ
4A,4Bの備える上記した構造は、セパレータ6A,
6Bが先に説明した素材を採用していることから、容易
に実現することが可能である。
The separator 4A has a portion (or size (W)) on the side surface 6Aa of the separator 6A on the side facing the fuel cell 7 which is not facing the fuel electrode 7A, as compared with the separator 6A shown in FIG. Can also be said to be a portion facing the exposed surface portion of the PE film 7C having a).
A protrusion 41A serving as a space holding means is additionally formed. The protrusion side surface 4Aa of the protrusion 41A
The height dimension of the protrusion from the side surface 6Aa is T 5 . Further, the separator 4B is different from the separator 6B shown in FIG. 4 in that the side surface 6Ba of the separator 6A on the side facing the fuel cell 7 has a portion (or a dimension (W)) not facing the fuel electrode 7A. It can also be said that it is a portion facing the exposed surface portion of the PE film 7C that it has).
The protrusion 41B as an interval maintaining means is additionally formed so as to protrude from the fuel cell 7 toward the fuel cell 7. The projecting height dimension of the projecting side surface 4Ba of the projecting portion 41B from the side surface 6Ba is T 6 . The above-described structure of the separators 4A and 4B is
Since 6B uses the material described above, it can be easily realized.

【0034】ここで、突起部41Aの突出高さ寸法(T
5 )は、燃料電極7Aの厚さ寸法(T1 )よりも0.0
5〔mm〕少なく、また、突起部41Bの突出高さ寸法
(T 6 )は、酸化剤電極7Bの厚さ寸法(T 2)よりも
0.05〔mm〕少なく、設定されている。上記による
構成を備える単電池3を、図5に例示した固体高分子電
解質型燃料電池のスタック8における従来例の単電池5
に替えて使用することで、固体高分子電解質型燃料電池
のスタックが構成される。
Here, the protrusion height dimension (T
Five) Is the thickness dimension of the fuel electrode 7A (T1) Than 0.0
5 [mm] less, and the height of protrusion of protrusion 41B
(T 6) Is the thickness dimension (T2)than
It is set to be less by 0.05 [mm]. According to the above
The unit cell 3 having the configuration is shown in FIG.
Conventional unit cell 5 in stack 8 of degradable fuel cell
It can be used as a solid polymer electrolyte fuel cell
Is constructed.

【0035】この発明では前述の構成としたので、セパ
レータ4Aの側面6Aaと、セパレータ4Bの側面6B
aとの間隔は、セパレータ4Aの突起部41Aの突出高
さ寸法(T5 )と,セパレータ4Bの突起部41Bの突
出高さ寸法(T6 )と,PE膜7Cの厚さ寸法(T0
との総和寸法に保持される。このために、実施例1の場
合と同様に、この実施例のよるスタックを構成する際
に、セパレータ4Aの側面6Aaと,セパレータ4Bの
側面6Baとの間隔は、突起部41Aの突出高さ寸法
(T5 )と,突起部41Bの突出高さ寸法(T6 )と,
PE膜7Cの厚さ寸法(T0 )との総和寸法に保持され
ているために、燃料電池セル7は、その際に、突起部4
1Aの突出高さ寸法(T5 )と燃料電極7Aの厚さ寸法
(T1 )との差寸法と、突起部41Bの突出高さ寸法
(T6 )と酸化剤電極7Bの厚さ寸法(T 2)との差寸
法との総和寸法である0.1〔mm〕だけ圧縮されるだ
けである。このスタックの組み立て時に燃料電池セル7
に発生する0.1〔mm〕の圧縮は、ほとんど燃料電極
7Aおよび酸化剤電極7Bが圧縮されることで吸収され
ることになる。
Since the present invention has the above-mentioned structure, the side surface 6Aa of the separator 4A and the side surface 6B of the separator 4B are included.
The distance from a is determined by the protrusion height dimension (T 5 ) of the protrusion 41A of the separator 4A, the protrusion height dimension (T 6 ) of the protrusion 41B of the separator 4B, and the thickness dimension (T 0 ) of the PE film 7C. )
And the total dimensions are maintained. Therefore, as in the case of the first embodiment, when the stack according to the present embodiment is configured, the distance between the side surface 6Aa of the separator 4A and the side surface 6Ba of the separator 4B is determined by the protrusion height dimension of the protrusion 41A. (T 5 ) and the protrusion height dimension (T 6 ) of the protrusion 41B,
Since the PE film 7C is held at the total size with the thickness (T 0 ) of the PE film 7C, the fuel cell 7 has the protrusion 4 at that time.
The difference between the projected height dimension (T 5 ) of 1A and the thickness dimension (T 1 ) of the fuel electrode 7A, the projected height dimension (T 6 ) of the protruding portion 41B and the thickness dimension of the oxidizer electrode 7B ( It is only compressed by 0.1 mm, which is the sum of the difference from T 2 ). When assembling this stack, fuel cell 7
Most of the compression of 0.1 [mm] generated in the above is absorbed by the compression of the fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B.

【0036】このために、この実施例のよるスタックの
場合においては、PE膜7Cは、燃料電極7Aおよび酸
化剤電極7Bを介して、両セパレータ4A,4Bの持つ
凸状の隔壁62A,62Bの頂部により、その両側から
過度に押圧されることが無くなるので、前記両頂部で押
圧されることが原因でPE膜7Cに発生していた過度の
クリープの発生を解消することが可能となるのである。
また、このことを達成するにあたり実施例1とは異な
り、スペーサを別個に準備する必要が無くなるのであ
る。
Therefore, in the case of the stack according to this embodiment, the PE film 7C is formed on the convex partition walls 62A and 62B of both separators 4A and 4B via the fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B. Since the top portion does not excessively press from both sides thereof, it is possible to eliminate the occurrence of excessive creep that has occurred in the PE film 7C due to the pressure at both the top portions. .
Further, in order to achieve this, unlike the first embodiment, it is not necessary to separately prepare the spacer.

【0037】実施例1,2における今までの説明では、
スペーサ2Aの厚さ寸法(T3 ),スペーサ2Bの厚さ
寸法(T4 )および突起部41Aの突出高さ寸法
(T5 ),突起部41Bの突出高さ寸法(T6 )は、そ
れぞれ共に、燃料電極7Aの厚さ寸法(T1 )および酸
化剤電極7Bの厚さ寸法(T 2)に対し0.05〔m
m〕小さいとしてきたが、これに限定されるものではな
く、例えば、厚さ寸法(T3 ),厚さ寸法(T4 )およ
びPE膜7Cの厚さ寸法(T0 )の総和寸法、あるい
は、突出高さ寸法(T5 ),突出高さ寸法(T6 )およ
び厚さ寸法(T0 )の総和寸法が、燃料電池セル7の厚
さ寸法よりも0.1〔mm〕小さい寸法であるのである
ならば、厚さ寸法(T3 )と厚さ寸法(T4 )あるいは
突出高さ寸法(T5)と突出高さ寸法(T6 )が同一差
寸法で無くともよいものである。
In the above description of the first and second embodiments,
The thickness of the spacer 2A (T 3), the thickness (T 4) and the projection height of the protrusions 41A of the spacer 2B (T 5), the projecting height of the projecting portion 41B (T 6), respectively both the thickness of the fuel electrode 7A (T 1) and the thickness dimension of the oxidant electrode 7B (T 2) to 0.05 [m
m] Although it is assumed to be small, the present invention is not limited to this. For example, the total dimension of the thickness dimension (T 3 ), the thickness dimension (T 4 ), and the thickness dimension (T 0 ) of the PE film 7C, or , The total height of the protruding height dimension (T 5 ), the protruding height dimension (T 6 ), and the thickness dimension (T 0 ) is 0.1 [mm] smaller than the thickness dimension of the fuel cell unit 7. If so, the thickness dimension (T 3 ) and the thickness dimension (T 4 ) or the protrusion height dimension (T 5 ) and the protrusion height dimension (T 6 ) do not have to be the same difference dimension. .

【0038】また、実施例1.2における今までの説明
では、厚さ寸法(T3 ),厚さ寸法(T4 )およびPE
膜7Cの厚さ寸法(T0 )の総和寸法、あるいは、突出
高さ寸法(T5 ),突出高さ寸法(T6 )および厚さ寸
法(T0 )の総和寸法が、燃料電池セル7の厚さ寸法よ
りも0.1〔mm〕小さい寸法であるとしてきたが、こ
れに限定されるものではなく、例えば、燃料電池セル7
の厚さ寸法よりも小さくする寸法は、スタックの組み立
て時の締め付けボルト84による加圧力により燃料電極
7Aおよび酸化剤電極7Bが圧縮される量に対応させた
寸法であればよいものであり、したがって、スタックの
組み立て時の圧縮量が少ない燃料電極7A.7Bである
場合には、この小さくする寸法は零であってもよいもの
であり、この場合に対応するところの、厚さ寸法
(T3 ),厚さ寸法(T4 )およびPE膜7Cの厚さ寸
法(T0 )の総和寸法の最大値、あるいは、突出高さ寸
法(T5),突出高さ寸法(T6 )および厚さ寸法(T
0 )の総和寸法の最大値は、厚さ寸法(T1 ),厚さ寸
法(T 2)および厚さ寸法(T0 )の総和寸法に等しく
なる。
Further, in the description so far in Example 1.2, the thickness dimension (T 3 ), the thickness dimension (T 4 ), and the PE
The total dimension of the thickness dimension (T 0 ) of the membrane 7C, or the total dimension of the protruding height dimension (T 5 ), the protruding height dimension (T 6 ), and the thickness dimension (T 0 ) is the fuel cell 7 The thickness is smaller than the thickness of 0.1 mm by 0.1 mm, but the thickness is not limited to this.
The thickness to be made smaller than the thickness dimension may be a dimension corresponding to the amount by which the fuel electrode 7A and the oxidant electrode 7B are compressed by the pressure applied by the tightening bolts 84 at the time of assembling the stack. , The fuel electrode 7A. In the case of 7B, the size to be reduced may be zero. Corresponding to this case, the thickness dimension (T 3 ), the thickness dimension (T 4 ), and the PE film 7C The maximum value of the sum of thickness dimensions (T 0 ), or the protrusion height dimension (T 5 ), the protrusion height dimension (T 6 ), and the thickness dimension (T
Maximum value of the sum size of 0), the thickness (T 1), is equal to the sum size of the thickness (T 2) and thickness (T 0).

【0039】[0039]

【発明の効果】この発明においては、前述の構成するこ
とで、PE膜は、両セパレータの持つ凸状の隔壁の頂部
により、その両側から過度に押圧されることが無くなる
ので、前記両頂部で押圧されることが原因でPE膜に発
生していた過度のクリープの発生を解消することが可能
となる。これにより、セパレータの持つ凸状の隔壁の頂
部の位置におけるPE膜の膜厚の減少が発生せず、その
部分でのPE膜の引張り強度の低下が発生しない。この
結果、その部分でのPE膜の破損を発生させることな
く、固体高分子電解質型燃料電池は長期間にわたって安
定した運転を行うことが可能となる。図3にこの発明に
よるセパレータを用いた固体高分子電解質型燃料電池の
単電池の連続運転データ例を示す。図6に示した従来例
のセパレータを用いた固体高分子電解質型燃料電池の場
合とは異なり、長期間にわたり安定して運転を行うこと
が確認されており、この発明の効果が認められる。
According to the present invention, with the above-mentioned constitution, the PE film is prevented from being excessively pressed from both sides by the top portions of the convex partition walls of both separators. It becomes possible to eliminate the excessive creep that has occurred in the PE film due to the pressing. As a result, the film thickness of the PE film does not decrease at the position of the top of the convex partition wall of the separator, and the tensile strength of the PE film does not decrease at that position. As a result, the solid polymer electrolyte fuel cell can be stably operated for a long period of time without causing damage to the PE membrane at that portion. FIG. 3 shows an example of continuous operation data of a single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell using the separator according to the present invention. Unlike the case of the solid polymer electrolyte fuel cell using the separator of the conventional example shown in FIG. 6, it has been confirmed that stable operation is performed for a long period of time, and the effect of the present invention is recognized.

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

【図1】請求項1,2に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質燃料電池の単電池を展開した状態
で模式的に示した側面断面図
FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention corresponding to claims 1 and 2 in a developed state.

【図2】請求項1,3に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質燃料電池の単電池を展開した状態
で模式的に示した側面断面図
FIG. 2 is a side sectional view schematically showing a unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention corresponding to claims 1 and 3 in a developed state.

【図3】この発明によるセパレータを用いた固体高分子
電解質型燃料電池の単電池の連続運転データ例を示すグ
ラフ
FIG. 3 is a graph showing an example of continuous operation data of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell using a separator according to the present invention.

【図4】従来例の固体高分子電解質燃料電池の単電池を
展開した状態で模式的に示した側面断面図
FIG. 4 is a side sectional view schematically showing an unfolded unit cell of a solid polymer electrolyte fuel cell of a conventional example.

【図5】固体高分子電解質型燃料電池のスタックの模式
的に示した構成図
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell stack.

【図6】従来例のセパレータを用いた固体高分子電解質
型燃料電池の単電池の連続運転データ例を示すグラフ
FIG. 6 is a graph showing an example of continuous operation data of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell using a conventional separator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単電池 2A 間隔保持手段(スペーサ) 2B 間隔保持手段(スペーサ) 3 単電池 4A セパレータ 4B セパレータ 41A 間隔保持手段(突起部) 41B 間隔保持手段(突起部) 6A セパレータ 6Aa 側面 6B セパレータ 6Ba 側面 62A 凸状の隔壁 62B 凸状の隔壁 7 燃料電池セル 7A 燃料電極 7B 酸化剤電極 7C 電解質層(PE膜) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 unit cell 2A spacing holding means (spacer) 2B spacing holding means (spacer) 3 unit cell 4A separator 4B separator 41A spacing holding means (projection part) 41B spacing holding means (projection part) 6A separator 6Aa side surface 6B separator 6Ba side surface 62A convex -Shaped partition wall 62B Convex partition wall 7 Fuel cell 7A Fuel electrode 7B Oxidizer electrode 7C Electrolyte layer (PE film)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて
直流電力を発電する燃料電池セルと、この燃料電池セル
の両側に配置されて,燃料電池セルに燃料ガスまたは酸
化剤ガスを供給するための複数個のガス流通溝を有する
セパレータとを備え、 燃料電池セルは、固体高分子電解質膜でなる電解質層
と、この電解質層の二つの主面のそれぞれに密着して配
置されて,電解質層の面方向の外形寸法よりも小さい面
方向の外形寸法を持つ電極とを有するものであり、 セパレータは、燃料電池セルと対向する側の側面に、複
数個のガス流通用の凹状の溝と、互いに隣接する凹状の
溝の間に介在する凸状の隔壁とが形成されているととも
に、電極の面方向の外形寸法よりも大きい面方向の外形
寸法を持つものである、 固体高分子電解質型燃料電池において、 セパレータの燃料電池セルと対向する側の側面と,電解
質層の主面との間の間隔寸法を保持するための間隔保持
手段を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池。
1. A fuel cell that receives supply of a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, and fuel cells that are arranged on both sides of the fuel cell and that supply the fuel gas or the oxidant gas to the fuel cell. The fuel cell comprises a solid polymer electrolyte membrane, an electrolyte layer, and two main surfaces of the electrolyte layer, which are in close contact with each other. An electrode having an outer dimension in the plane direction smaller than the outer dimension in the plane direction of the layer, wherein the separator has a plurality of concave grooves for gas flow on the side surface facing the fuel cell unit. , A solid polymer electrolyte type, in which a convex partition wall interposed between adjacent concave grooves is formed and has an outer dimension in the plane direction larger than the outer dimension in the plane direction of the electrode. For fuel cells There are, the side of the side facing the fuel cell separator, a solid polymer electrolyte fuel cell characterized by comprising a space holding means for holding the distance dimension between the major surface of the electrolyte layer.
【請求項2】請求項1記載の固体高分子電解質型燃料電
池において、 間隔保持手段は、セパレータが持つ燃料電池セルと対向
する側の側面の,電極と対向していない部位と、電解質
層の主面との間に介挿されたスペーサである、ことを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the space holding means comprises a separator, a side surface of the separator facing the fuel cell, a portion not facing the electrode, and an electrolyte layer. A solid polymer electrolyte fuel cell, which is a spacer inserted between the main surface and the main surface.
【請求項3】請求項1記載の固体高分子電解質型燃料電
池において、 間隔保持手段は、セパレータの燃料電池セルと対向する
側の側面の,電極と対向していない部分に形成された突
起部である、ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池。
3. The solid polyelectrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the space holding means is a protrusion formed on a portion of a side surface of the separator facing the fuel cell, the side surface not facing the electrode. The solid polymer electrolyte fuel cell is characterized by:
JP5121781A 1993-05-25 1993-05-25 Solid polyelectrolyte fuel cell Pending JPH06333582A (en)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004303595A (en) * 2003-03-31 2004-10-28 Seiko Epson Corp Fuel cell, method of manufacturing the same, and electronic device and automobile equipped with the fuel cell
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JP2008507106A (en) * 2004-07-21 2008-03-06 ペメアス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Improved membrane electrode assembly and high durability fuel cell
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JP2009505341A (en) * 2005-08-12 2009-02-05 ビーエーエスエフ、フューエル、セル、ゲゼルシャフト、ミット、ベシュレンクテル、ハフツング Long life improved membrane electrode unit and fuel cell

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