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JPH08203546A - Manufacture of fuel cell and flow path formation member used for it - Google Patents

Manufacture of fuel cell and flow path formation member used for it

Info

Publication number
JPH08203546A
JPH08203546A JP7031343A JP3134395A JPH08203546A JP H08203546 A JPH08203546 A JP H08203546A JP 7031343 A JP7031343 A JP 7031343A JP 3134395 A JP3134395 A JP 3134395A JP H08203546 A JPH08203546 A JP H08203546A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
containing gas
flow path
fuel cell
oxygen
hydrogen
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.)
Granted
Application number
JP7031343A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3555215B2 (en
Inventor
Seiji Mizuno
誠司 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP03134395A priority Critical patent/JP3555215B2/en
Publication of JPH08203546A publication Critical patent/JPH08203546A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3555215B2 publication Critical patent/JP3555215B2/en
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    • 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
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PURPOSE: To improve output voltage of a fuel cell in a high current density range so as to improve energy efficiency of a whole system. CONSTITUTION: A flow path for gas is formed between ribs and the surface of a gas diffusion electrode by forming a plurality of linear ribs in a current collecting body 15 of a fuel cell 10. One side of the current collecting body 15, which contacts with a cathode 12, forms an oxygen containing gas flow path 17a with the surface of the cathode 12 and the other side of the current collecting body 15, which contacts with an anode 13, forms a hydrogen containing gas flow path 17b with the anode 13. The crown width Wma of the oxygen containing gas flow path 17a is formed narrower than the crown width Wmb of the hydrogen containing gas flow path 17b. Such constitution can narrow the width of the crown part which is inferior in gas diffusion performance in the oxygen containing gas flow path 17a. Gas diffusion performance in the side of the oxygen containing gas flow path 17a is thus improved more than that of the hydrogen containing gas flow path 17b.

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、流路形成部材に形成
した流路からガス拡散電極にガスを供給して、そのガス
の化学反応から起電力を得る燃料電池と、その燃料電池
に用いられる流路形成部材の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell for supplying gas to a gas diffusion electrode from a flow channel formed in a flow channel forming member to obtain electromotive force from a chemical reaction of the gas, and a fuel cell for use in the fuel cell. The present invention relates to a method for manufacturing a flow path forming member.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。例えば、固体高分子型の燃料電池では、加
湿状態でイオン導電性を示す電解質膜に、触媒反応層と
ガス拡散層からなる電極を一対、圧着するとともに、一
方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、また他
方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触さ
せ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間か
ら電気エネルギを取り出すようにしている。こうして、
燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガスが供給されている
限り一定の起電力が得られる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell has been known as a device for directly converting the energy of fuel into electrical energy. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrodes composed of a catalytic reaction layer and a gas diffusion layer are pressure-bonded to an electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a humidified state, and a fuel such as hydrogen is attached to the surface of one electrode. A gas is brought into contact with the surface of the other electrode, and an oxygen-containing gas containing oxygen is brought into contact with the surface of the other electrode, and the electrochemical reaction that takes place at this time is utilized to extract electric energy from between the electrodes. Thus
The fuel cell can obtain a constant electromotive force as long as the fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied.

【0003】ところで、この燃料電池では、実際に得ら
れる電圧は、電流を引くことにより、分極現象で低下す
る。分極現象としては、電解質膜のイオン伝導抵抗や接
触抵抗等による抵抗分極、触媒活性に起因する活性化分
極、および反応ガスの拡散律速に伴う濃度分極があり、
電池性能を向上する上で、これらの分極を小さくするこ
とが重要となる。
By the way, in this fuel cell, the voltage actually obtained is lowered by a polarization phenomenon by drawing a current. The polarization phenomenon includes resistance polarization due to ionic conduction resistance and contact resistance of the electrolyte membrane, activation polarization due to catalytic activity, and concentration polarization due to diffusion control of the reaction gas,
In order to improve battery performance, it is important to reduce these polarizations.

【0004】一方、前述した燃料電池では、電極表面へ
の燃料ガスや酸素含有ガスの供給を、これらガスの流路
と集電極とを兼ねる集電体と呼ばれる部材で行なってい
る。この集電体としては、電極に接触する側の表面にス
トレートの流路溝を複数備えたものが一般的であり、燃
料極側に設けられる集電体と酸素極側に設けられる集電
体とは、同じ形状、流路幅およびピッチ幅(流路と流路
との間の距離)の流路溝が設けられている。
On the other hand, in the above-mentioned fuel cell, the fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied to the electrode surface by a member called a current collector that also serves as a flow path for these gases and a collector electrode. The current collector is generally one having a plurality of straight flow channel grooves on the surface in contact with the electrode, and a current collector provided on the fuel electrode side and a current collector provided on the oxygen electrode side. Is provided with flow channel grooves having the same shape, flow channel width and pitch width (distance between flow channels).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸素含
有ガスである空気は燃料ガスである水素より拡散性が劣
ることから、前述した、集電体の流路溝を酸素極側と水
素極側とで同一とする従来の構成では、高電流密度領域
において、酸素極側で酸素含有ガスの拡散が乏しくなっ
て、濃度分極が大きくなり、燃料電池の出力電圧が低下
してしまうといった問題が生じた。
However, since the oxygen-containing gas, air, is inferior in diffusibility to the fuel gas, hydrogen, the flow path groove of the current collector described above is provided on the oxygen electrode side and the hydrogen electrode side. In the conventional configuration in which the same is used, the problem that the diffusion of the oxygen-containing gas becomes poor on the oxygen electrode side in the high current density region, the concentration polarization increases, and the output voltage of the fuel cell decreases .

【0006】また、低下した燃料電池の出力電圧を復帰
させるには、負荷に応じた理論ガス流量より実ガス流量
を大きくしたり、ガス圧を高くしたりする必要があり、
そのための駆動エネルギが必要となり、システム全体の
エネルギ効率が悪化するといった副次的な問題も生じ
た。
To restore the lowered output voltage of the fuel cell, it is necessary to increase the actual gas flow rate or the gas pressure higher than the theoretical gas flow rate according to the load.
For that reason, drive energy is required, and a secondary problem that the energy efficiency of the entire system deteriorates occurs.

【0007】この発明の燃料電池は、こうした問題に鑑
みてなされたもので、高電流密度領域での燃料電池の出
力電圧の向上を図り、ひいては、システム全体のエネル
ギ効率の向上を図ることを目的としている。この発明の
流路形成部材の製造方法は、燃料電池に用いれる流路形
成部材を製造することで、高電流密度領域での燃料電池
の出力電圧の向上を図り、ひいては、システム全体のエ
ネルギ効率の向上を図ることを目的としている。
The fuel cell of the present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to improve the output voltage of the fuel cell in a high current density region, and to improve the energy efficiency of the entire system. I am trying. The manufacturing method of the flow path forming member of the present invention aims to improve the output voltage of the fuel cell in the high current density region by manufacturing the flow path forming member used in the fuel cell, and thus the energy efficiency of the entire system. The purpose is to improve.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。
In order to achieve such an object, the following constitution is adopted as a means for solving the above problems.

【0009】即ち、本発明の請求項1記載の燃料電池
は、電解質膜を2つの電極で挟持する接合体と、該接合
体に接触し水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの流路と
を形成する流路形成部材とを備えた燃料電池において、
前記流路形成部材に形成される前記酸素含有ガスの流路
の山幅を、前記流路形成部材に形成される前記水素含有
ガスの流路の山幅よりも狭くしたことを特徴としてい
る。
That is, in the fuel cell according to claim 1 of the present invention, a joined body sandwiching an electrolyte membrane between two electrodes, a hydrogen-containing gas passage and an oxygen-containing gas passage in contact with the joined body are provided. In a fuel cell having a flow path forming member for forming
The peak width of the flow path of the oxygen-containing gas formed in the flow path forming member is narrower than the peak width of the flow path of the hydrogen-containing gas formed in the flow path forming member.

【0010】こうした構成の燃料電池において、前記水
素含有ガスの流路および酸素含有ガスの流路を、複数の
凸状部材の配列によりそれぞれ形成した構成としてもよ
い(請求項2記載のもの)。
In the fuel cell having such a structure, the flow path of the hydrogen-containing gas and the flow path of the oxygen-containing gas may be formed by an array of a plurality of convex members (claim 2).

【0011】本発明の請求項3記載の燃料電池は、電解
質膜を水素極および酸素極により挟持する複数の接合体
と、該接合体と接合体との間に設けられ、一方側の接合
体の前記水素極と接触し水素含有ガスの流路を形成し、
他方側の接合体の前記酸素極と接触し酸素含有ガスの流
路を形成する流路形成部材とを備えた燃料電池におい
て、前記流路形成部材に形成される前記酸素含有ガスの
流路の山幅を、前記流路形成部材に形成される前記水素
含有ガスの流路の山幅よりも狭くするとともに、前記両
流路の内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに内在す
るように、前記両流路を配置した構成であることを特徴
としている。
A fuel cell according to a third aspect of the present invention is provided with a plurality of bonded bodies sandwiching an electrolyte membrane between a hydrogen electrode and an oxygen electrode and between the bonded bodies, and the bonded body on one side. Forming a flow path of a hydrogen-containing gas in contact with the hydrogen electrode of
In a fuel cell including a flow path forming member that forms a flow path of an oxygen-containing gas in contact with the oxygen electrode of the joined body on the other side, a flow path of the oxygen-containing gas formed in the flow path forming member The crest width is made narrower than the crest width of the flow path of the hydrogen-containing gas formed in the flow path forming member, and the crest part on the other side is internally present in the trough part on one side of both the flow paths. As described above, the both flow paths are arranged.

【0012】本発明の請求項4記載の製造方法は、請求
項3記載の燃料電池に用いられる流路形成部材を製造す
る方法であって、複数の溝を備えた第1の型材と、該第
1の型材の溝山に相対的に溝谷が位置する複数の溝を備
えた第2の型材とにより流路形成部材材料を加圧圧縮す
る工程を備えたことを特徴としている。
A manufacturing method according to a fourth aspect of the present invention is a method for manufacturing the flow path forming member used in the fuel cell according to the third aspect, the first mold material having a plurality of grooves, and It is characterized in that a step of pressurizing and compressing the flow path forming member material is provided by a second mold material having a plurality of grooves in which groove troughs are located relatively to the groove ridges of the first mold material.

【0013】[0013]

【作用】以上のように構成された請求項1記載の燃料電
池によれば、流路形成部材に形成される酸素含有ガスの
流路の山幅が、流路形成部材に形成される水素含有ガス
の流路の山幅よりも狭くなっていることから、酸素含有
ガスの流路においてガス拡散性の悪い箇所(山部)の幅
が狭くなる。このため、水素含有ガスの流路側よりも酸
素含有ガス側でのガスの拡散性を高めることができる。
これにより、高電流密度領域において、酸素含有ガスの
拡散の悪化を解消するように働く。
According to the fuel cell of the present invention configured as described above, the peak width of the flow path of the oxygen-containing gas formed in the flow path forming member is equal to that of the hydrogen containing gas formed in the flow path forming member. Since the width of the gas flow passage is narrower than that of the gas flow passage, the width of the portion (peak portion) where the gas diffusibility is poor in the flow passage of the oxygen-containing gas becomes narrow. Therefore, the diffusivity of the gas on the oxygen-containing gas side can be improved more than on the flow path side of the hydrogen-containing gas.
As a result, in the high current density region, it works to eliminate the deterioration of the diffusion of the oxygen-containing gas.

【0014】請求項2記載の燃料電池によれば、ガスの
流路が複数の凸状部材の配列により形成されていること
から、ガスの流れをストレート溝のように所定の一方向
だけではなく、格子状に他方向に流すことが可能とな
る。このため、電極面とのガスの接触面積を高めるとと
もに、電極で発生した生成水等の排出を容易化する。
According to the fuel cell of the second aspect, since the gas flow path is formed by the array of the plurality of convex members, the gas flow is not limited to a straight groove but in one predetermined direction. , It becomes possible to flow in the other direction in a grid pattern. Therefore, the contact area of the gas with the electrode surface is increased and the generated water or the like generated at the electrode is easily discharged.

【0015】請求項3記載の燃料電池によれば、流路形
成部材に形成される酸素含有ガスの流路の山幅が、流路
形成部材に形成される水素含有ガスの流路の山幅よりも
狭くなっていることから、請求項1と同様に、高電流密
度領域において、酸素含有ガスの拡散の悪化を解消する
ように働く。さらに、酸素含有ガスおよび水素含有ガス
の両流路の内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに内
在するように、両流路が配置されていることから、流路
形成部材の厚さを薄くする。
According to the fuel cell of the third aspect, the peak width of the flow path of the oxygen-containing gas formed in the flow path forming member is the peak width of the flow path of the hydrogen-containing gas formed in the flow path forming member. Since it is narrower than the above, it works so as to eliminate the deterioration of the diffusion of the oxygen-containing gas in the high current density region, as in the first aspect. Furthermore, since both flow paths are arranged so that the valleys on the one side of both the flow paths of the oxygen-containing gas and the hydrogen-containing gas are mutually present in the valleys on the other side, the flow path forming member Reduce the thickness.

【0016】請求項4記載の流路形成部材の製造方法に
よれば、一対の第1および第2の型材により流路形成部
材材料を加圧圧縮することにより、それら型材の溝谷へ
の流路形成部材材料の流動性を向上して、流路形成部材
を充填性の高いものとする。
According to the method of manufacturing a flow path forming member according to claim 4, the flow path forming member material is pressure-compressed by the pair of first and second mold materials, whereby the flow path to the groove troughs of these mold materials. The fluidity of the forming member material is improved so that the flow path forming member has a high filling property.

【0017】[0017]

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below in order to further clarify the structure and operation of the present invention described above.

【0018】図1は、第1実施例としての燃料電池10
の単一セルを示す構造図である。図2は、その単一セル
の正面図である。燃料電池10は固体高分子型の燃料電
池であり、図1に示すように、単一のセルとして、電解
質膜11と、この電解質膜11を両側から挟んでサンド
イッチ構造とするガス拡散電極としてのカソード12お
よびアノード13と、このサンドイッチ構造(接合体)
20を両側から挟みつつカソード12およびアノード1
3とで酸素含有ガスおよび水素含有ガスの流路を形成す
る流路形成部材としての集電体15とにより構成されて
いる。
FIG. 1 shows a fuel cell 10 as a first embodiment.
It is a structural diagram showing a single cell of. FIG. 2 is a front view of the single cell. The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell, and as shown in FIG. 1, a single cell is used as an electrolyte membrane 11 and a gas diffusion electrode having a sandwich structure in which the electrolyte membrane 11 is sandwiched from both sides. The cathode 12 and the anode 13 and this sandwich structure (joint body)
Cathode 12 and anode 1 while sandwiching 20 from both sides
3 and a current collector 15 as a flow path forming member that forms a flow path for the oxygen-containing gas and the hydrogen-containing gas.

【0019】電解質膜11は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成された厚さ50[μm]ないし20
0[μm]のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電
気電導性を示す。ここでは、米国E.I.デュポン社製の
商標名ナフィオン(Nafion)115を使用する。カソー
ド12およびアノード13は、表面をポリ四フッ化エチ
レンでコーティングした炭素繊維と何等処理されていな
い炭素繊維とを1対1の割合とした糸で織成したカーボ
ンクロスにより形成されている。カソード12およびア
ノード13は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈する
から、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害するこ
とはない。このカーボンクロスの電解質膜11側の表面
および隙間には、白金または白金と他の金属からなる合
金等を担持したカーボン粉が練り込まれて触媒反応層が
形成されている。
The electrolyte membrane 11 is made of a polymer material such as a fluorine resin and has a thickness of 50 μm to 20 μm.
It is an ion exchange membrane of 0 [μm] and exhibits good electric conductivity in a wet state. Here, Nafion 115 manufactured by EI DuPont, USA is used. The cathode 12 and the anode 13 are formed of a carbon cloth woven with a yarn in which the surface of the carbon fiber is coated with polytetrafluoroethylene and the untreated carbon fiber is in a ratio of 1: 1. Since polytetrafluoroethylene exhibits water repellency, the surfaces of the cathode 12 and the anode 13 are not covered with water and hinder gas permeation. On the surface of the carbon cloth on the electrolyte membrane 11 side and in the gap, carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and another metal is kneaded to form a catalytic reaction layer.

【0020】詳しくは、白金を担持したカーボン粉とし
て、カーボン粉の重量に対して白金の重量が40[%]
(重量%)となるものが用いられており、この白金担持
カーボン粉を白金0.4[mg/cm2 ]となる量に対
して、フッ素系陽イオン交換樹脂溶液(ナフィオンの固
形分5[%])を樹脂固形分が50[%]相当となる量
を添加混合することにより触媒反応層が形成されてい
る。
Specifically, as the carbon powder carrying platinum, the weight of platinum is 40 [%] with respect to the weight of carbon powder.
(Wt%) is used, and this platinum-supporting carbon powder is used in an amount of 0.4 [mg / cm 2 ] of platinum, and the fluorine-based cation exchange resin solution (solid content of Nafion is 5 [ %]) Is added and mixed in an amount such that the resin solid content is equivalent to 50 [%] to form a catalytic reaction layer.

【0021】電解質膜11とカソード12およびアノー
ド13とは、両電極12,13が電解質膜11を挟んで
サンドイッチ構造とした状態で、100℃ないし160
℃好ましくは110℃ないし130℃の温度で、1MP
a{10.2kgf/cm2}ないし20MPa{102kgf
/cm2}好ましくは5MPa{51kgf/cm2}ないし1
0MPa{102kgf/cm2}の圧力を作用させて接合す
るホットプレス法により接合されている。
The electrolyte membrane 11, the cathode 12 and the anode 13 are 100 ° C. to 160 ° C. with the electrodes 12 and 13 sandwiching the electrolyte membrane 11 in a sandwich structure.
1MP at a temperature of 110 ° C to 130 ° C
a {10.2 kgf / cm 2 } to 20 MPa {102 kgf
/ Cm 2 }, preferably 5 MPa {51 kgf / cm 2 } or 1
Bonding is performed by a hot pressing method in which a pressure of 0 MPa {102 kgf / cm 2 } is applied to bond.

【0022】集電体15は、ち密質のカーボンプレート
により形成されている。集電体15には、複数のリブが
形成されており、このリブとガス拡散電極との表面とで
断面矩形でストレートのガス流路17を形成する。カソ
ード12に接触する側の集電体15は、カソード12の
表面とで酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード12
で生成する水の集水路をなす酸素含有ガス流路17aを
形成し、一方、アノード13に接触する側の集電体15
は、アノード13の表面とで水素含有ガスである水素ガ
スと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素含有ガス流路
17bを形成する。なお、酸素含有ガス流路17aと水
素含有ガス流路17bとは、その向きが平行となるよう
に形成されており、しかも、図2に示すように、酸素含
有ガス流路17aの山(リブの部分)幅Wmaが水素含
有ガス流路17bの山幅Wmbよりも狭くなるように形
成されている。
The current collector 15 is formed of a dense carbon plate. The current collector 15 is formed with a plurality of ribs, and the ribs and the surface of the gas diffusion electrode form a straight gas flow path 17 having a rectangular cross section. The current collector 15 on the side in contact with the cathode 12 forms a flow path for the oxygen-containing gas with the surface of the cathode 12 and
The oxygen-containing gas flow path 17a that forms the water collecting path of the water generated in step (1) is formed, while the current collector 15 on the side in contact with the anode 13 is formed.
Forms a hydrogen-containing gas flow path 17b which forms a flow path for a mixed gas of hydrogen gas, which is a hydrogen-containing gas, and steam with the surface of the anode 13. The oxygen-containing gas passage 17a and the hydrogen-containing gas passage 17b are formed so that their directions are parallel to each other, and as shown in FIG. Portion) width Wma is formed to be narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas passage 17b.

【0023】図3は、燃料電池10における酸素含有ガ
ス流路17aと水素含有ガス流路17bとの相対的な位
置関係を示す説明図である。この図において、ハッチン
グ部分は、酸素含有ガス流路17aの山部のカソード表
面との接合部分を示し、ハッチングのない部分(ハッチ
ング部分を含む)は、水素含有ガス流路17bの山部の
アノード表面との接合部分を示す。この図からも、酸素
含有ガス流路17aと水素含有ガス流路17bとは、そ
の向きが平行であり、酸素含有ガス流路17aの山幅W
maは、水素含有ガス流路17bの山幅Wmbよりも狭
くなっていることが分かる。
FIG. 3 is an explanatory view showing the relative positional relationship between the oxygen-containing gas passage 17a and the hydrogen-containing gas passage 17b in the fuel cell 10. In this figure, the hatched portion shows the junction of the peak portion of the oxygen-containing gas flow channel 17a with the cathode surface, and the non-hatched portion (including the hatched portion) is the anode of the peak portion of the hydrogen-containing gas flow channel 17b. The joint with the surface is shown. Also from this figure, the oxygen-containing gas flow channel 17a and the hydrogen-containing gas flow channel 17b have the directions parallel to each other, and the peak width W of the oxygen-containing gas flow channel 17a is W.
It can be seen that ma is narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas passage 17b.

【0024】具体的には、酸素含有ガス流路17aの山
幅Wmaは0.5[mm]、その谷幅Wgaは1.5
[mm]であり、水素含有ガス流路17bの山幅Wmb
は1.0[mm]、その谷幅Wgbは1.0[mm]で
ある。こうした構成の集電体15と前記接合体20と
は、接着剤によりシール接合されている。
Specifically, the peak width Wma of the oxygen-containing gas passage 17a is 0.5 [mm] and the valley width Wga thereof is 1.5.
[Mm], and the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas passage 17b
Is 1.0 [mm] and its valley width Wgb is 1.0 [mm]. The current collector 15 having such a configuration and the bonded body 20 are seal-bonded with an adhesive.

【0025】以上説明した電解質膜11、カソード1
2、アノード13および集電体15が燃料電池10の単
一セルの構成であり、実際には、集電体15、カソード
12、電解質膜11、アノード13、集電体15をこの
順に複数組、積層して燃料電池10は構成されている。
The electrolyte membrane 11 and the cathode 1 described above
2, the anode 13 and the current collector 15 have a single cell structure of the fuel cell 10. In practice, a plurality of sets of the current collector 15, the cathode 12, the electrolyte membrane 11, the anode 13, and the current collector 15 are arranged in this order. The fuel cell 10 is constructed by stacking.

【0026】こうして構成された燃料電池10は、次式
(1)および(2)に示した電気化学反応を行ない、化
学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
The fuel cell 10 thus constructed carries out the electrochemical reaction represented by the following equations (1) and (2) to directly convert chemical energy into electrical energy.

【0027】 カソード反応(酸素極):2H++2e-+(1/2)O2→H2O …(1) アノード反応(燃料極):H2→2H++2e- …(2)Cathode reaction (oxygen electrode): 2H ++ 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (1) Anode reaction (fuel electrode): H 2 → 2H ++ 2e − (2)

【0028】この電気化学反応は、酸素含有ガス流路1
7aを流れる酸素含有ガスがカソード12の触媒反応層
へ拡散するとともに、水素含有ガス流路17bを流れる
水素含有ガスがアノード13の触媒反応層へ拡散するこ
とにより連続してなされる。ここで、一般的な断面矩形
のストレートのガス流路を用いて触媒反応層へのガス拡
散性をアンモニアガス拡散法により評価したので、次に
説明する。
This electrochemical reaction is carried out in the oxygen-containing gas flow path 1
The oxygen-containing gas flowing through 7a diffuses into the catalytic reaction layer of the cathode 12, and the hydrogen-containing gas flowing through the hydrogen-containing gas flow path 17b diffuses into the catalytic reaction layer of the anode 13 so that the oxygen-containing gas continuously flows. Here, the gas diffusivity to the catalytic reaction layer was evaluated by the ammonia gas diffusion method using a straight straight gas passage having a rectangular cross section, and will be described below.

【0029】アンモニアガス拡散法は、触媒反応層に替
えてジアゾ感光紙をセルに組み付けて、アンモニア蒸気
をガス流路に流すことによりアンモニアガスの拡散性を
評価する方法である。ジアゾ感光紙にアンモニアガスが
拡散すると、その拡散した領域は青く変色することか
ら、この変色領域を測定することによりガス流路におけ
るアンモニアガスの拡散性を調べることができる。こう
して評価した結果を図4に示した。図4に示すように、
ガス流路M1の山部M2とガス拡散電極M3との圧着面
はガスが拡散しにくく、山部M2の端部より0.2[m
m]だけ内側の領域に限りガスの拡散が見られた。な
お、このときのガス拡散層、触媒反応層および電解質膜
の各厚さは、0.3[mm],0.01[mm],0.
12[mm]とした。
The ammonia gas diffusion method is a method in which diazo photosensitive paper is assembled in the cell instead of the catalytic reaction layer and ammonia vapor is caused to flow in the gas passage to evaluate the diffusivity of ammonia gas. When the ammonia gas diffuses into the diazo photosensitive paper, the diffused area changes its color to blue. Therefore, by measuring this discolored area, the diffusivity of the ammonia gas in the gas flow path can be examined. The result of the evaluation is shown in FIG. As shown in FIG.
Gas is less likely to diffuse on the pressure-bonding surface between the mountain portion M2 of the gas flow path M1 and the gas diffusion electrode M3, and 0.2 [m from the end of the mountain portion M2.
The diffusion of gas was observed only in the area inside only [m]. The thicknesses of the gas diffusion layer, the catalytic reaction layer and the electrolyte membrane at this time are 0.3 [mm], 0.01 [mm], 0.
It was set to 12 [mm].

【0030】この評価の結果、断面矩形のストレートの
ガス流路においては、ガス流路の谷部と山部の端部より
ごくわずか侵入した部分とにガスの拡散が見られるだけ
で、山部はほとんどガスの拡散は見られないことが判明
した。
As a result of this evaluation, in the straight gas flow passage having a rectangular cross section, gas diffusion is observed only in the valley portion of the gas flow passage and a portion slightly invaded from the end portion of the mountain portion, and the mountain portion is It turned out that almost no gas diffusion was seen.

【0031】これまでに説明してきたこの第1実施例の
燃料電池10では、集電体15においてカソード12側
の酸素含有ガス流路17aの山幅Wmaをアノード13
側の水素含有ガス流路17bの山幅Wmbよりも狭く構
成していることから、酸素含有ガス流路17aにおいて
ガス拡散性の悪い山部の幅を狭くすることができる。こ
のため、水素含有ガス流路17b側よりも酸素含有ガス
流路17a側でのガス拡散性を高めることができる。こ
れによりカソード12の実反応面積をアノード13の実
反応面積よりも大きくすることができる。
In the fuel cell 10 of the first embodiment described so far, in the current collector 15, the peak width Wma of the oxygen-containing gas passage 17a on the cathode 12 side is set to the anode 13.
Since it is configured to be narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas passage 17b on the side, the width of the mountain portion having poor gas diffusibility in the oxygen-containing gas passage 17a can be narrowed. Therefore, the gas diffusivity on the oxygen-containing gas flow channel 17a side can be enhanced more than on the hydrogen-containing gas flow channel 17b side. As a result, the actual reaction area of the cathode 12 can be made larger than the actual reaction area of the anode 13.

【0032】一般に、酸素含有ガスは水素含有ガスより
拡散性が劣ることから、ガス流路の山幅,溝幅をカソー
ド側とアノード側とで同一とする従来の構成では、高電
流密度領域において、カソード側で酸素含有ガスの拡散
が乏しくなって、燃料電池の出力電圧が低下してしまう
といった問題が生じた。これに対して、この第1実施例
では、カソード12の実反応面積をアノード13の実反
応面積よりも大きくすることができることから、高電流
密度領域における出力電圧の低下を防止することができ
ると言った効果を奏する。また、出力電圧の低下を防止
することができることから、従来のように、理論ガス流
量と実ガス流量との比(ストイキ比)を大きくしたり、
ガス圧を高くしたりする必要がないことから、そのため
のコンプレッサあるいはブロア等による電力消費を抑え
て、システム全体のエネルギ効率を向上することができ
ると言った副次的な効果も奏する。
In general, the oxygen-containing gas is inferior in diffusivity to the hydrogen-containing gas. Therefore, in the conventional structure in which the peak width and the groove width of the gas flow path are the same on the cathode side and the anode side, in the high current density region. However, the diffusion of the oxygen-containing gas becomes poor on the cathode side, and the output voltage of the fuel cell decreases. On the other hand, in the first embodiment, since the actual reaction area of the cathode 12 can be made larger than the actual reaction area of the anode 13, it is possible to prevent the output voltage from decreasing in the high current density region. It produces the effect you just said. Also, since it is possible to prevent the output voltage from decreasing, the ratio (the stoichiometric ratio) between the theoretical gas flow rate and the actual gas flow rate can be increased as in the conventional case.
Since there is no need to increase the gas pressure, the power consumption by the compressor or blower for that purpose can be suppressed, and the energy efficiency of the entire system can be improved.

【0033】ところで、この実施例では、カソード12
の実反応面積はアノード13の実反応面積より大きくな
ることを説明したが、どの程度大きくなるかを前述した
アンモニアガス拡散法により調べた。その結果、電極面
積が144[cm2 ]としたとき、アノード13側で
は、山幅、谷幅が共に1.0[mm]のストレート溝が
形成されていることから、実反応面積は、100[cm
2 ](電極利用率として換算すると69[%])とな
り、カソード12側では、山幅が0.5[mm]、谷幅
が1.5[mm]のストレート溝が形成されていること
から、実反応面積は、137[cm2 ](電極利用率と
して換算すると95[%])となる。従って、この実際
の測定結果からもカソード12の実反応面積はアノード
13の実反応面積よりかなり大きくなることが判明し
た。
By the way, in this embodiment, the cathode 12
It has been described that the actual reaction area of (1) is larger than the actual reaction area of the anode 13, but the extent of increase was examined by the above-mentioned ammonia gas diffusion method. As a result, when the electrode area was set to 144 [cm 2 ], straight grooves having a peak width and a valley width of both 1.0 [mm] were formed on the anode 13 side, so the actual reaction area was 100. [Cm
2 ] (converted as an electrode utilization rate of 69 [%]), and since a straight groove having a peak width of 0.5 [mm] and a valley width of 1.5 [mm] is formed on the cathode 12 side. The actual reaction area is 137 [cm 2 ] (95 [%] when converted as the electrode utilization rate). Therefore, it was found from this actual measurement result that the actual reaction area of the cathode 12 was considerably larger than the actual reaction area of the anode 13.

【0034】本発明の第2実施例について、次に説明す
る。この第2実施例は、第1実施例の燃料電池10とほ
ぼ同じ構成の燃料電池に関するもので、第1実施例と比
較して、集電体に形成される酸素含有ガス流路の方向が
相違する。即ち、第1実施例では、酸素含有ガス流路1
7aの向きと水素含有ガス流路17bとの向きが平行と
なるように構成されていたが、この第2実施例では、酸
素含有ガス流路の向きと水素含有ガス流路の向きが互い
に直交するように構成されている。
The second embodiment of the present invention will be described below. The second embodiment relates to a fuel cell having almost the same configuration as the fuel cell 10 of the first embodiment, and the direction of the oxygen-containing gas passage formed in the current collector is different from that of the first embodiment. Be different. That is, in the first embodiment, the oxygen-containing gas channel 1
Although the direction of 7a and the direction of the hydrogen-containing gas flow path 17b are configured to be parallel to each other, in the second embodiment, the direction of the oxygen-containing gas flow path and the direction of the hydrogen-containing gas flow path are orthogonal to each other. Is configured to.

【0035】図5は、第2実施例としての燃料電池11
0の単一セルを示す構造図である。図5に示すように、
アノード113側に接合される集電体115には、図中
x方向に延びる水素含有ガス流路117bが形成されて
おり、カソード112側に接合される集電体115に
は、図中y方向に延びる酸素含有ガス流路117aが形
成されている。即ち、この第2実施例の燃料電池110
は、第1実施例の燃料電池10においてカソード12側
の集電体15を図中y軸を中心に右回りに90度回転し
た構成とすることにより、酸素含有ガス流路117aの
向きと水素含有ガス流路117bの向きとが互いに直交
するように構成したものである。
FIG. 5 shows a fuel cell 11 as a second embodiment.
FIG. 3 is a structural diagram showing a single cell of 0. As shown in FIG.
A hydrogen-containing gas channel 117b extending in the x direction in the drawing is formed in the current collector 115 bonded to the anode 113 side, and a current collector 115 bonded to the cathode 112 side is in the y direction in the drawing. And an oxygen-containing gas flow path 117a extending in the direction is formed. That is, the fuel cell 110 of the second embodiment.
In the fuel cell 10 of the first embodiment, the current collector 15 on the cathode 12 side is rotated 90 degrees clockwise around the y-axis in the figure, so that the direction of the oxygen-containing gas flow path 117a and the hydrogen flow path are reduced. It is configured such that the directions of the containing gas channels 117b are orthogonal to each other.

【0036】図6は、燃料電池110における酸素含有
ガス流路117aと水素含有ガス流路117bとの相対
的な位置関係を示す説明図である。この図において、ハ
ッチング部分は、酸素含有ガス流路17aの山部のカソ
ード表面との接合部分を示し、ハッチングのない部分
は、水素含有ガス流路17bの山部のアノード表面との
接合部分を示す。この図からも、酸素含有ガス流路11
7aと水素含有ガス流路117bとは、その向きが直交
していることがわかる。しかも、この図に示すように、
第1実施例と同様に、酸素含有ガス流路117aの山幅
Wmaは、水素含有ガス流路17bの山幅Wmbよりも
狭くなっている。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relative positional relationship between the oxygen-containing gas passage 117a and the hydrogen-containing gas passage 117b in the fuel cell 110. In this figure, the hatched portion indicates the joint portion with the cathode surface of the peak portion of the oxygen-containing gas flow channel 17a, and the non-hatched portion indicates the joint portion with the anode surface of the peak portion of the hydrogen-containing gas flow channel 17b. Show. Also from this figure, the oxygen-containing gas channel 11
It can be seen that the directions of 7a and the hydrogen-containing gas passage 117b are orthogonal to each other. Moreover, as shown in this figure,
Similar to the first embodiment, the mountain width Wma of the oxygen-containing gas flow channel 117a is narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas flow channel 17b.

【0037】以上説明したように、この第2実施例の燃
料電池110では、カソード112側の酸素含有ガス流
路117aの山幅Wmaが、アノード113側の水素含
有ガス流路117bの山幅Wmbよりも狭く構成されて
いることから、酸素含有ガス流路117a側ではガス拡
散性の悪い山部を狭くして、水素含有ガス流路117b
側よりも酸素含有ガス流路117a側でのガス拡散性を
高めることができる。これによりカソード112の実反
応面積をアノード113の実反応面積よりも大きくする
ことができる。
As described above, in the fuel cell 110 of the second embodiment, the peak width Wma of the oxygen-containing gas flow path 117a on the cathode 112 side is the peak width Wmb of the hydrogen-containing gas flow path 117b on the anode 113 side. Since it is configured to be narrower than that of the oxygen-containing gas passage 117a, the peak portion having poor gas diffusibility is narrowed on the oxygen-containing gas passage 117a side, and the hydrogen-containing gas passage 117b is formed.
The gas diffusivity on the oxygen-containing gas flow path 117a side can be enhanced more than on the side. As a result, the actual reaction area of the cathode 112 can be made larger than the actual reaction area of the anode 113.

【0038】従って、この第2実施例の燃料電池110
では、第1実施例と同様に、高電流密度領域における燃
料電池の出力電圧の低下を防止することができ、また、
高電流密度領域における特別の電力消費を抑えて、シス
テム全体のエネルギ効率を向上することもできる。
Therefore, the fuel cell 110 according to the second embodiment.
Then, like the first embodiment, it is possible to prevent the output voltage of the fuel cell from decreasing in the high current density region, and
It is also possible to suppress the special power consumption in the high current density region and improve the energy efficiency of the entire system.

【0039】前述した第1実施例の別態様の実施例につ
いて、次に説明する。この実施例は、第1実施例の燃料
電池10とほぼ同じ構成であり、第1実施例と比較して
相違する点は、図7に示すように、一つの集電体215
に、酸素含有ガス流路217aと水素含有ガス流路21
7bとの双方が形成されており、2つの接合体220
A,220Bの間を一つの集電体215で連結している
点が相違する。なお、第1実施例と同様に、酸素含有ガ
ス流路217aの山幅Wmaは、水素含有ガス流路21
7bの山幅Wmbよりも狭くなっている。このため、こ
の別態様の実施例においても、第1実施例および第2実
施例と同様な効果を奏する。
Another embodiment of the above-described first embodiment will be described below. This embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell 10 of the first embodiment, and the difference from the first embodiment is that, as shown in FIG. 7, one current collector 215 is used.
In addition, the oxygen-containing gas channel 217a and the hydrogen-containing gas channel 21
7b and two bonded bodies 220 are formed.
The difference is that A and 220B are connected by one current collector 215. As in the first embodiment, the peak width Wma of the oxygen-containing gas flow passage 217a is equal to the hydrogen-containing gas flow passage 21.
It is narrower than the mountain width Wmb of 7b. For this reason, also in the embodiment of this another aspect, the same effect as that of the first and second embodiments is achieved.

【0040】なお、この別態様に替えて、一つの集電体
に、酸素含有ガス流路と水素含有ガス流路との双方を形
成するとともに、第2実施例と同様に、酸素含有ガス流
路と水素含有ガス流路との向きを互いに直交する構成と
してもよい。
In place of this alternative embodiment, both the oxygen-containing gas flow path and the hydrogen-containing gas flow path are formed in one current collector, and the oxygen-containing gas flow is the same as in the second embodiment. The directions of the passage and the hydrogen-containing gas passage may be orthogonal to each other.

【0041】本発明の第3実施例について、次に説明す
る。この第3実施例は、第1実施例の燃料電池10とほ
ぼ同じ構成の燃料電池に関するもので、第1実施例と比
較して、集電体の形状が相違する。この第3実施例の集
電体は複数の凸部によりガス流路を構成するもので、図
8はその集電体の平面図である。図8に示すように、集
電体315は8角形の板状部材として形成されており、
集電体15の8つの辺のうち4つの斜辺の縁付近には、
その辺に沿って細長い孔321,323および孔32
5,327が形成されている。この孔321,323お
よび孔325,327は、積層した際、燃料電池を積層
方向に貫通する2つの水素含有ガスの給排流路および2
つの酸素含有ガスの給排流路を形成する。集電体315
の積層面の一方(図8の表示面)の孔321と孔323
との間には、図示するように、外縁の平面より一段下が
った段差面331が形成されており、この段差面331
には、規則正しく配列された1辺が1[mm]の立方体
のリブ(凸部)333が複数形成されている。
The third embodiment of the present invention will be described below. The third embodiment relates to a fuel cell having substantially the same structure as the fuel cell 10 of the first embodiment, and the shape of the current collector is different from that of the first embodiment. The current collector of the third embodiment constitutes a gas flow path with a plurality of convex portions, and FIG. 8 is a plan view of the current collector. As shown in FIG. 8, the current collector 315 is formed as an octagonal plate-shaped member,
Near the edges of four hypotenuses out of the eight sides of the current collector 15,
Along the sides, elongated holes 321, 323 and holes 32
5,327 are formed. The holes 321, 323 and the holes 325, 327 are provided with two hydrogen-containing gas supply / exhaust passages that penetrate the fuel cell in the stacking direction when stacked.
Two oxygen-containing gas supply / discharge channels are formed. Current collector 315
Holes 321 and 323 on one of the stacking surfaces (display surface in FIG. 8) of
As shown in the drawing, a step surface 331 that is one step lower than the plane of the outer edge is formed between and.
A plurality of cubic ribs (projections) 333 each having a side of 1 [mm] are regularly arranged.

【0042】この立方体のリブ333は、水平方向と鉛
直方向とに格子状に配列されており、こうしたリブ33
3と、段差面331およびガス拡散電極の表面とで酸素
含有ガスの流路を形成する。
The cubic ribs 333 are arranged in a grid pattern in the horizontal direction and the vertical direction.
3 and the step surface 331 and the surface of the gas diffusion electrode form a flow path of the oxygen-containing gas.

【0043】また、集電体315の積層面の他方(図8
の裏面)の孔325と孔327との間にも、孔321と
孔323との間に形成された段差面331およびリブ3
33と同一形状の段差面およびリブ(343:図9)が
形成されている。この段差面、リブおよびガス拡散電極
の表面とで水素含有ガスの流路を形成する。
The other side of the laminated surface of the current collector 315 (see FIG. 8).
Between the holes 325 and 327 (on the back surface of the same), the step surface 331 and the rib 3 formed between the holes 321 and 323.
A step surface and a rib (343: FIG. 9) having the same shape as 33 are formed. The step surface, the rib and the surface of the gas diffusion electrode form a flow path for the hydrogen-containing gas.

【0044】図9は、この集電体315における酸素含
有ガス流路と水素含有ガス流路との相対的な位置関係を
示す説明図である。この図において、ハッチング部分
は、酸素含有ガス流路を構成するリブ333のカソード
表面との接合部分を示し、ハッチングのない部分(ハッ
チング部分を含む)は、水素含有ガス流路を構成するリ
ブ343のアノード表面との接合部分を示す。この図に
示すように、リブ333で構成される酸素含有ガス流路
の山幅Wmaは、リブ343で構成される水素含有ガス
流路の山幅Wmbよりも狭くなっている。なお、具体的
には、酸素含有ガス流路の山幅Wmaは0.5[m
m]、その谷幅Wgaは1.5[mm]となっており、
一方、水素含有ガス流路の山幅Wmbは1.0[m
m]、その谷幅Wgbは1.0[mm]である。
FIG. 9 is an explanatory view showing the relative positional relationship between the oxygen-containing gas passage and the hydrogen-containing gas passage in the current collector 315. In this figure, the hatched portion shows the joint portion of the rib 333 forming the oxygen-containing gas flow path with the cathode surface, and the non-hatched portion (including the hatched portion) shows the rib 343 forming the hydrogen-containing gas flow path. 3 shows a joint portion with the anode surface. As shown in this figure, the mountain width Wma of the oxygen-containing gas flow channel formed by the rib 333 is narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas flow channel formed by the rib 343. In addition, specifically, the mountain width Wma of the oxygen-containing gas flow path is 0.5 [m
m], and the valley width Wga is 1.5 [mm],
On the other hand, the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas channel is 1.0 [m
m] and its valley width Wgb is 1.0 [mm].

【0045】こうした構成の集電体315を備える燃料
電池では、リブ333で構成される酸素含有ガス流路の
山幅Wmaは、リブ343で構成される水素含有ガス流
路の山幅Wmbよりも狭くなっていることから、酸素含
有ガス流路側ではガス拡散性の悪い山部を狭くして、水
素含有ガス流路側よりも酸素含有ガス流路側でのガス拡
散性を高めることができる。これによりカソードの実反
応面積をアノードの実反応面積よりも大きくすることが
できる。
In the fuel cell provided with the current collector 315 having such a structure, the peak width Wma of the oxygen-containing gas flow path formed by the rib 333 is larger than the peak width Wmb of the hydrogen-containing gas flow path formed by the rib 343. Since the width is narrow, the mountain portion having poor gas diffusibility can be narrowed on the oxygen-containing gas channel side, and the gas diffusivity on the oxygen-containing gas channel side can be enhanced more than that on the hydrogen-containing gas channel side. As a result, the actual reaction area of the cathode can be made larger than the actual reaction area of the anode.

【0046】従って、この第3実施例の燃料電池では、
第1および第2実施例と同様に、高電流密度領域におけ
る燃料電池の出力電圧の低下を防止することができ、ま
た、高電流密度領域における特別の電力消費を抑えて、
システム全体のエネルギ効率を向上することもできる。
また、複数の凸部により流路を構成することにより、電
極面とのガスの接触面積を大きくして、燃料電池のエネ
ルギ変換効率を高めることができ、さらには、前記式
(1)に示した反応による生成水や外部から供給した加
湿水の排出を容易化することができる。
Therefore, in the fuel cell of the third embodiment,
Similar to the first and second embodiments, it is possible to prevent the output voltage of the fuel cell from decreasing in the high current density region, and to suppress the special power consumption in the high current density region,
It is also possible to improve the energy efficiency of the entire system.
In addition, by configuring the flow path with a plurality of convex portions, it is possible to increase the contact area of the gas with the electrode surface and improve the energy conversion efficiency of the fuel cell. Furthermore, as shown in the formula (1) above. It is possible to facilitate discharge of water generated by the reaction and humidifying water supplied from the outside.

【0047】前述した第2実施例の燃料電池110およ
び第3実施例の燃料電池を従来例と比較評価したので、
次に説明する。比較する従来例の燃料電池は、第2実施
例のようなストレート溝のタイプで、集電体の水素含有
ガスの流路および酸素含有ガスの流路共、山幅1[m
m]、谷幅1[mm]のもの(以下、第1従来例と呼
ぶ)と、山幅0.5[mm]、谷幅1.5[mm]のも
の(以下、第2従来例と呼ぶ)である。
Since the fuel cell 110 of the second embodiment and the fuel cell of the third embodiment described above were compared and evaluated with the conventional example,
Next, a description will be given. The fuel cell of the conventional example to be compared is of the straight groove type as in the second embodiment, and has a mountain width of 1 [m for both the hydrogen-containing gas flow path and the oxygen-containing gas flow path of the current collector.
m] and a valley width of 1 [mm] (hereinafter referred to as a first conventional example), and a peak width of 0.5 [mm] and a valley width of 1.5 [mm] (hereinafter referred to as a second conventional example). Call).

【0048】これら燃料電池を運転温度80[℃]で運
転したときの電流密度と電圧との関係を調べ、その結果
を図10に示した。図10から明らかなように、1点鎖
線で示した第2実施例の燃料電池110および実線で示
した第3実施例の燃料電池では、測定範囲の総ての電流
密度に亘って比較例としての第1従来例の燃料電池(2
点鎖線で示す)および第2従来例の燃料電池(破線で示
す)よりその特性が優れ、特に、電流密度が0.5[A
/cm2 ]以上の高電流密度領域では、その差が顕著で
ある。即ち、第1および第2実施例では、酸素含有ガス
流路の山幅が水素含有ガス流路の山幅よりも狭くなって
いることから、酸素含有ガス流路側でのガス拡散性を高
めることができることから、図10から明らかなよう
に、高い電池性能を得ることができた。
The relationship between the current density and the voltage when these fuel cells were operated at an operating temperature of 80 ° C. was investigated, and the results are shown in FIG. As is apparent from FIG. 10, in the fuel cell 110 of the second embodiment shown by the alternate long and short dash line and the fuel cell of the third embodiment shown by the solid line, a comparative example is shown over the entire current density of the measurement range. Of the first conventional fuel cell (2
The characteristics are superior to those of the fuel cell of the second conventional example (shown by the broken line) and the current density is 0.5 [A].
/ Cm 2 ] or higher current density region, the difference is remarkable. That is, in the first and second examples, since the peak width of the oxygen-containing gas flow channel is narrower than the peak width of the hydrogen-containing gas flow channel, the gas diffusibility on the oxygen-containing gas flow channel side should be improved. Therefore, high battery performance could be obtained as is clear from FIG.

【0049】第2実施例の燃料電池110および第3実
施例の燃料電池を運転温度80[℃]で運転したときの
電圧と保持時間との関係を図11に示した。図11から
明らかなように、1点鎖線で示した第2実施例の燃料電
池110および実線で示した第3実施例の燃料電池は、
2点鎖線で示した第1従来例の燃料電池および破線で示
した第2従来例の燃料電池に比して、安定して高い電圧
を長時間維持することが認められた。
FIG. 11 shows the relationship between the voltage and the holding time when the fuel cell 110 of the second embodiment and the fuel cell of the third embodiment were operated at an operating temperature of 80 [° C.]. As is apparent from FIG. 11, the fuel cell 110 of the second embodiment shown by the one-dot chain line and the fuel cell of the third embodiment shown by the solid line are
It was confirmed that the high voltage was stably maintained for a long time as compared with the fuel cell of the first conventional example shown by the two-dot chain line and the fuel cell of the second conventional example shown by the broken line.

【0050】本発明の第4実施例について、次に説明す
る。この第4実施例は、図7で示した実施例の変形例で
あり、その図7の実施例と比較して集電体の形状が相違
する。図12は、その第4実施例としての燃料電池41
0のセル構造を示す構造図であり、図13は、その燃料
電池410に備えられる集電体415の斜視図である。
The fourth embodiment of the present invention will be described below. The fourth embodiment is a modification of the embodiment shown in FIG. 7, and the shape of the current collector is different from that of the embodiment shown in FIG. FIG. 12 shows a fuel cell 41 as the fourth embodiment.
FIG. 13 is a structural diagram showing a cell structure of No. 0, and FIG. 13 is a perspective view of a current collector 415 provided in the fuel cell 410.

【0051】両図に示すように、この第4実施例の燃料
電池410は、一つの集電体415に、酸素含有ガス流
路417aと水素含有ガス流路417bとの双方が形成
されており、しかも、その集電体415は、両ガス流路
の内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに内在するよ
うに、前記両ガス流路は配置されたものである。即ち、
この集電体415は、平板を矩形の凹凸を交互に繰り返
すように変形した構成である。なお、この集電体415
に形成される酸素含有ガス流路417aの山幅Wma
は、これまでの実施例と同様に、水素含有ガス流路41
7bの山幅Wmbよりも狭くなっている。
As shown in both figures, in the fuel cell 410 of the fourth embodiment, one current collector 415 has both an oxygen-containing gas flow channel 417a and a hydrogen-containing gas flow channel 417b. In addition, the current collector 415 is arranged such that the gas flow passages are arranged such that the valleys on the one side of the gas flow passages on the other side are inside each other. That is,
The current collector 415 has a configuration in which a flat plate is modified so that rectangular irregularities are alternately repeated. In addition, this current collector 415
Width Wma of the oxygen-containing gas channel 417a formed in
Is the hydrogen-containing gas flow channel 41 as in the previous embodiments.
It is narrower than the mountain width Wmb of 7b.

【0052】こうした構成の燃料電池410の集電体4
15の製造方法について、次に詳しく説明する。なお、
集電体415は、次のようにして製造された熱膨張黒鉛
の粉末を材料として製造される。天然の燐片状の黒鉛粉
末を用意し、この黒鉛粉末を濃硫酸や濃硝酸および混酸
などに浸して、黒鉛粉末を湿式酸化させる。その後、こ
の黒鉛粉末を900[℃]以上の高温で急速加熱する
と、黒鉛の結晶構造における層間の距離が50〜500
倍に膨張して、熱膨張黒鉛の粉末が形成される。この熱
膨張黒鉛粉末を材料として集電体415が製造される。
The current collector 4 of the fuel cell 410 having such a structure
The manufacturing method of 15 will be described in detail below. In addition,
The current collector 415 is manufactured using the thermally expanded graphite powder manufactured as follows. A natural scaly graphite powder is prepared, and the graphite powder is wet-oxidized by immersing the graphite powder in concentrated sulfuric acid, concentrated nitric acid, mixed acid, or the like. Then, when this graphite powder is rapidly heated at a high temperature of 900 [° C.] or higher, the distance between layers in the crystal structure of graphite is 50 to 500.
It expands twice to form a thermally expanded graphite powder. A current collector 415 is manufactured using this thermally expanded graphite powder as a material.

【0053】集電体415を製造するに際し、まず、図
14に示す、外枠501と上型503と下型505とか
らなるプレス治具500を用意し、このプレス治具50
0内に熱膨張黒鉛粉末Cを入れる。このプレス治具50
0の上型503および下型505には、ストレートの複
数の凸部503L,505Lが形成されており、両凸部
503L,505Lの相対的な水平方向の位置関係は、
一方側の型503(505)に形成された凸部503L
(505L)間の谷部に、他方側の型505(503)
に形成されたストレート溝505L(503L)の凸部
が相対的に位置するような関係である。
In manufacturing the current collector 415, first, a press jig 500 including an outer frame 501, an upper mold 503 and a lower mold 505 shown in FIG.
The thermally expanded graphite powder C is put in 0. This press jig 50
A plurality of straight convex portions 503L and 505L are formed on the upper mold 503 and the lower mold 505 of 0, and the relative horizontal positional relationship between the convex portions 503L and 505L is as follows.
Convex portion 503L formed on one side mold 503 (505)
In the valley between (505L), the other mold 505 (503)
The relationship is such that the protrusions of the straight grooves 505L (503L) formed in the above are relatively positioned.

【0054】次いで、このプレス治具500の上型50
3に鉛直下方の荷重を掛ける(下型505は固定)こと
により、熱膨張黒鉛粉末Cを押圧圧縮する。なお、ここ
で、上型503を押圧する圧力は1.0[ton/cm2]と
した。この結果、前述した構成の集電体415が製造さ
れる。
Next, the upper mold 50 of this press jig 500.
A vertically downward load is applied to 3 (the lower die 505 is fixed) to press and compress the thermally expanded graphite powder C. The pressure for pressing the upper mold 503 was 1.0 [ton / cm 2 ]. As a result, the current collector 415 having the above-described configuration is manufactured.

【0055】以上詳述したように、この第4実施例の燃
料電池410では、酸素含有ガス流路417aの山幅W
maが、水素含有ガス流路417bの山幅Wmbよりも
狭く構成されていることから、酸素含有ガス流路417
a側ではガス拡散性の悪い山部を狭くして、水素含有ガ
ス流路417b側よりも酸素含有ガス流路417a側で
のガス拡散性を高めることができる。これによりカソー
ド412の実反応面積を413の実反応面積よりも大き
くすることができる。
As described above in detail, in the fuel cell 410 of the fourth embodiment, the peak width W of the oxygen-containing gas passage 417a is W.
Since ma is configured to be narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas passage 417b, the oxygen-containing gas passage 417 is formed.
On the a side, the mountain portion having poor gas diffusivity can be narrowed to enhance the gas diffusivity on the oxygen-containing gas flow channel 417a side than on the hydrogen-containing gas flow channel 417b side. As a result, the actual reaction area of the cathode 412 can be made larger than the actual reaction area of the cathode 413.

【0056】従って、この第4実施例の燃料電池410
では、これまでの実施例と同様に、高電流密度領域にお
ける燃料電池の出力電圧の低下を防止することができ、
また、高電流密度領域における特別の電力消費を抑え
て、システム全体のエネルギ効率を向上することもでき
る。さらに、この燃料電池410の集電体415は、酸
素含有ガス流路417aおよび水素含有ガス流路417
bの内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに内在する
ように、両ガス流路417a,417bが形成されてい
ることから、集電体415の厚さを薄くすることがで
き、この結果、燃料電池410のスタックのコンパクト
化を図ることができる。
Therefore, the fuel cell 410 of this fourth embodiment is used.
Then, as in the previous examples, it is possible to prevent the output voltage of the fuel cell from decreasing in the high current density region.
Further, it is possible to suppress the special power consumption in the high current density region and improve the energy efficiency of the entire system. Further, the current collector 415 of the fuel cell 410 includes an oxygen-containing gas flow channel 417 a and a hydrogen-containing gas flow channel 417.
Since both gas flow passages 417a and 417b are formed so that the peaks on the other side are present in the valleys on the one side of b, it is possible to reduce the thickness of the current collector 415. As a result, the stack of the fuel cell 410 can be made compact.

【0057】さらにまた、集電体415をプレス治具5
00を用いて押圧成形により製作することにより、熱膨
張黒鉛粉末の充填性を向上することができる。従って、
この集電体415によれば、高パッキング化を図ること
が容易となり、また、高強度を確保することができ、し
かもガスセパレータとしての機能を損なうことがない。
Furthermore, the current collector 415 is attached to the pressing jig 5
It is possible to improve the filling property of the thermally expansive graphite powder by using the No. 00 to manufacture by press molding. Therefore,
According to the current collector 415, high packing can be easily achieved, high strength can be ensured, and the function as the gas separator is not impaired.

【0058】前述した第1ないし第4実施例では、酸素
含有ガス流路17aの山幅Wmaを0.5[mm]、水
素含有ガス流路17bの山幅Wmbを1.0[mm]と
していたが、これらの値は必ずしもこれに限る必要はな
く、要は、酸素含有ガス流路17aの山幅Wmaを、水
素含有ガス流路17bの山幅Wmbよりも狭い構成とす
ればよい。なお、ガスの拡散性の効率を考えたとき、酸
素含有ガス流路17aの山幅Wmaは、好ましくは1
[mm]以下とすることが望ましい。
In the above-described first to fourth embodiments, the peak width Wma of the oxygen-containing gas flow path 17a is 0.5 [mm] and the peak width Wmb of the hydrogen-containing gas flow path 17b is 1.0 [mm]. However, these values are not necessarily limited to these values, and the point is that the mountain width Wma of the oxygen-containing gas flow channel 17a may be narrower than the mountain width Wmb of the hydrogen-containing gas flow channel 17b. In consideration of gas diffusivity, the peak width Wma of the oxygen-containing gas flow path 17a is preferably 1
It is desirable to set it to [mm] or less.

【0059】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。
The embodiment of the present invention has been described above.
The present invention is not limited to these examples, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明したように請求項1ないし3記
載の燃料電池では、流路形成部材のガス流路におけるガ
ス拡散性を、水素含有ガスの流路側よりも酸素含有ガス
の流路側で高めることができる。これにより、高電流密
度領域において、酸素含有ガスの拡散が乏しくなって出
力電圧の低下を起こす問題の発生を防止することができ
る。また、出力電圧の低下を防止することができること
から、従来のように、理論ガス流量より実ガス流量を大
きくしたり、ガス圧を高くしたりする必要がないことか
ら、そのための駆動手段による電力消費を抑えて、シス
テム全体のエネルギ効率を向上することができる。
As described above, in the fuel cell according to the first to third aspects, the gas diffusibility in the gas flow passage of the flow passage forming member is set to be closer to the oxygen-containing gas passage than to the hydrogen-containing gas passage. Can be increased. As a result, in the high current density region, it is possible to prevent the occurrence of the problem that the diffusion of the oxygen-containing gas becomes poor and the output voltage decreases. Further, since it is possible to prevent the output voltage from decreasing, it is not necessary to increase the actual gas flow rate or the gas pressure higher than the theoretical gas flow rate as in the conventional case. The consumption can be suppressed and the energy efficiency of the entire system can be improved.

【0061】また、請求項2記載の燃料電池では、ガス
の流路が複数の凸状部材の配列により形成されているこ
とから、電極面とのガスの接触面積を高めることがで
き、さらには、電極で発生した生成水や供給した加湿水
の排出を容易化することができる。
Further, in the fuel cell according to the second aspect, since the gas flow path is formed by the array of the plurality of convex members, it is possible to increase the contact area of the gas with the electrode surface, and further, It is possible to easily discharge the generated water generated at the electrodes and the supplied humidifying water.

【0062】請求項3記載の燃料電池によれば、流路形
成部材の厚さを薄くすることができ、その結果、スタッ
ク全体をコンパクトにすることができる。
According to the fuel cell of the third aspect, the thickness of the flow path forming member can be reduced, and as a result, the entire stack can be made compact.

【0063】請求項4記載の流路形成部材の製造方法に
よれば、充填性の高い流路形成部材を製造することがで
きる。このため、その流路形成部材を使用することで、
高パッキング化および高強度化を図ることができ、ま
た、ガス不透過性の機能を損なうことがない。
According to the method of manufacturing the flow path forming member of the fourth aspect, it is possible to manufacture the flow path forming member having a high filling property. Therefore, by using the flow path forming member,
High packing and high strength can be achieved, and the function of gas impermeability is not impaired.

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

【図1】本発明の第1実施例としての燃料電池10の単
一セルを示す構造図である。
FIG. 1 is a structural diagram showing a single cell of a fuel cell 10 as a first embodiment of the present invention.

【図2】その単一セルの正面図である。FIG. 2 is a front view of the single cell.

【図3】燃料電池10における酸素含有ガス流路17a
と水素含有ガス流路17bとの相対的な位置関係を示す
説明図である。
FIG. 3 is an oxygen-containing gas passage 17a in the fuel cell 10.
It is explanatory drawing which shows the relative positional relationship of the hydrogen containing gas flow path 17b.

【図4】アンモニアガス拡散法により調べたガス流路の
拡散性を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the diffusivity of a gas flow channel examined by an ammonia gas diffusion method.

【図5】本発明の第2実施例としての燃料電池110の
単一セルを示す構造図である。
FIG. 5 is a structural diagram showing a single cell of a fuel cell 110 as a second embodiment of the present invention.

【図6】燃料電池110における酸素含有ガス流路11
7aと水素含有ガス流路117bとの相対的な位置関係
を示す説明図である。
FIG. 6 is an oxygen-containing gas channel 11 in the fuel cell 110.
7a is an explanatory diagram showing a relative positional relationship between a hydrogen-containing gas flow path 117b and 7a. FIG.

【図7】第1実施例の別態様としての燃料電池のセル構
造を示す構造図である。
FIG. 7 is a structural diagram showing a cell structure of a fuel cell as another mode of the first embodiment.

【図8】第3実施例の燃料電池に備えられる集電体31
5の平面図である。
FIG. 8 is a current collector 31 provided in the fuel cell according to the third embodiment.
5 is a plan view of FIG.

【図9】集電体315における酸素含有ガス流路と水素
含有ガス流路との相対的な位置関係を示す説明図であ
る。
9 is an explanatory diagram showing a relative positional relationship between an oxygen-containing gas passage and a hydrogen-containing gas passage in a current collector 315. FIG.

【図10】第2および第3実施例の燃料電池と従来例の
燃料電池における電圧と電流密度との関係を示したグラ
フである。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between voltage and current density in the fuel cells of the second and third examples and the fuel cell of the conventional example.

【図11】第2および第3実施例の燃料電池と従来例の
燃料電池における電圧と保持時間との関係を示したグラ
フである。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between voltage and holding time in the fuel cells of the second and third examples and the fuel cell of the conventional example.

【図12】本発明の第4実施例としての燃料電池410
のセル構造を示す構造図である。
FIG. 12 is a fuel cell 410 as a fourth embodiment of the present invention.
3 is a structural diagram showing the cell structure of FIG.

【図13】集電体415の斜視図である。FIG. 13 is a perspective view of a current collector 415.

【図14】集電体415の製造に使用するプレス治具5
00の概略構成図である。
FIG. 14 is a press jig 5 used for manufacturing a current collector 415.
It is a schematic block diagram of 00.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…燃料電池 11…電解質膜 12…カソード 13…アノード 15…集電体 17…ガス流路 17a…酸素含有ガス流路 17b…水素含有ガス流路 20…接合体 110…燃料電池 112…カソード 113…アノード 115…集電体 117a…酸素含有ガス流路 117b…水素含有ガス流路 215…集電体 217a…酸素含有ガス流路 217b…水素含有ガス流路 220A,220B…接合体 315…集電体 331…段差面 333…リブ 343…リブ 410…燃料電池 412…カソード 415…集電体 417a…酸素含有ガス流路 417b…水素含有ガス流路 500…プレス治具 501…外枠 503…上型 505…下型 10 ... Fuel cell 11 ... Electrolyte membrane 12 ... Cathode 13 ... Anode 15 ... Current collector 17 ... Gas channel 17a ... Oxygen-containing gas channel 17b ... Hydrogen-containing gas channel 20 ... Junction 110 ... Fuel cell 112 ... Cathode 113 ... Anode 115 ... Current collector 117a ... Oxygen-containing gas flow path 117b ... Hydrogen-containing gas flow path 215 ... Current collector 217a ... Oxygen-containing gas flow path 217b ... Hydrogen-containing gas flow path 220A, 220B ... Bonding body 315 ... Current collection Body 331 ... Step surface 333 ... Rib 343 ... Rib 410 ... Fuel cell 412 ... Cathode 415 ... Current collector 417a ... Oxygen-containing gas passage 417b ... Hydrogen-containing gas passage 500 ... Press jig 501 ... Outer frame 503 ... Upper mold 505 ... Lower mold

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質膜を2つの電極で挟持する接合体
と、 該接合体に接触し水素含有ガスの流路と酸素含有ガスの
流路とを形成する流路形成部材とを備えた燃料電池にお
いて、 前記流路形成部材に形成される前記酸素含有ガスの流路
の山幅を、前記流路形成部材に形成される前記水素含有
ガスの流路の山幅よりも狭くしたことを特徴とする燃料
電池。
1. A fuel comprising: a joined body sandwiching an electrolyte membrane between two electrodes; and a flow passage forming member which is in contact with the joined body and forms a flow passage for a hydrogen-containing gas and a flow passage for an oxygen-containing gas. In the battery, the peak width of the flow path of the oxygen-containing gas formed in the flow path forming member is narrower than the peak width of the flow path of the hydrogen-containing gas formed in the flow path forming member. And a fuel cell.
【請求項2】 請求項1記載の燃料電池であって、 前記水素含有ガスの流路および酸素含有ガスの流路を、
複数の凸状部材の配列によりそれぞれ形成した燃料電
池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the flow path for the hydrogen-containing gas and the flow path for the oxygen-containing gas are:
A fuel cell formed by an array of a plurality of convex members.
【請求項3】 電解質膜を水素極および酸素極により挟
持する複数の接合体と、 該接合体と接合体との間に設けられ、一方側の接合体の
前記水素極と接触し水素含有ガスの流路を形成し、他方
側の接合体の前記酸素極と接触し酸素含有ガスの流路を
形成する流路形成部材とを備えた燃料電池において、 前記流路形成部材に形成される前記酸素含有ガスの流路
の山幅を、前記流路形成部材に形成される前記水素含有
ガスの流路の山幅よりも狭くするとともに、 前記両流路の内の一方側の谷部に他方側の山部が互いに
内在するように、前記両流路を配置した構成であること
を特徴とする燃料電池。
3. A plurality of bonded bodies sandwiching an electrolyte membrane between a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and a hydrogen-containing gas provided between the bonded bodies and in contact with the hydrogen electrode of one bonded body. And a flow channel forming member that forms a flow channel of an oxygen-containing gas in contact with the oxygen electrode of the joined body on the other side, wherein the flow channel forming member is formed. The peak width of the flow path of the oxygen-containing gas is made narrower than the peak width of the flow path of the hydrogen-containing gas formed in the flow path forming member, and the other is formed in the valley portion on one side of the both flow paths. A fuel cell, characterized in that the both flow paths are arranged such that the mountain portions on the side are inward of each other.
【請求項4】 請求項3記載の燃料電池に用いられる流
路形成部材を製造する方法であって、 複数の溝を備えた第1の型材と、該第1の型材の溝山に
相対的に溝谷が位置する複数の溝を備えた第2の型材と
により流路形成部材材料を加圧圧縮する工程を備えたこ
とを特徴とする流路形成部材の製造方法。
4. A method for manufacturing a flow path forming member used in the fuel cell according to claim 3, wherein the first mold member having a plurality of grooves and the groove ridges of the first mold member are relatively formed. A method for manufacturing a flow path forming member, comprising a step of pressurizing and compressing the flow path forming member material with a second mold material having a plurality of grooves in which groove troughs are located.
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