JPH04206162A - Cell unit for solid high polymer electrolyte film fuel cell - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain a thin type cell unit having high voltage by arranging junction bodies having a small area in the plane, and collecting current in series electrically. CONSTITUTION:Plural sheets of junction bodies are arranged and sandwiched in the plane between two sheets of insulating plates 11A and 11B so as to form a cell unit 10. The respective junction bodies 12 are formed by connecting gas diffusion electrodes 14A and 14B on both sides of a solid high polymer electrolyte film 13. When H2 and O2 are supplied to the junction bodies 12 by a raw material gas supply means, since cell reactions are generated respectively in the respective junction bodies, electric current is taken out from current collecting parts 21A and 21B by connecting H2 poles and O2 poles alternately in series. Under this constitution, a thin type cell unit capable of obtaining high voltage can be formed.

Description

Translated fromJapanese

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は固体高分子電解質膜燃料電池のセルユニットに
関し、薄型で高電圧が得られるように工夫したものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a cell unit for a solid polymer electrolyte membrane fuel cell, and is designed to be thin and capable of producing high voltage.

〈従来の技術〉燃料電池は、資源の枯渇間層を有する化石燃料を使う必
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
動車も他のエネルギ機関と較べて非常に高（できる等の
優れた特徴を持っているため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。<Prior art> Fuel cells do not require the use of fossil fuels that have depleted resources, generate almost no noise, and have very high energy recovery speeds compared to other energy engines. Because of its excellent characteristics, it is used as a relatively small power generation plant for each building or factory, for example.

近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、このモータにより車両等
を駆動することが考えられている。この場合に重要なこ
とは、反応によって生成する物質をできるだけ再利用す
る乙とは当然のこととして、車載用であることからも明
らかなように、余り大きな出力は必要でないものの、全
ての付帯設備と共に可能な限り小型であることが望まし
く、このような点から固体高分子電解質膜燃料電池が注
目されている。In recent years, it has been considered to use this fuel cell as a power source for a motor that operates in place of an internal combustion engine in a vehicle, and to use this motor to drive a vehicle or the like. In this case, it is important to reuse the substances produced by the reaction as much as possible, and as is clear from the fact that it is for automotive use, it is not necessary to have a large output, but all incidental equipment In addition, it is desirable that the fuel cell be as small as possible, and from this point of view, solid polymer electrolyte membrane fuel cells are attracting attention.

ここで、−例として固体高分子電解質膜燃料電池本体の
基本構造を第２図を参照しながら説明する。同図に示す
ように、電池本体０１は固体高分子電解質膜０２の両側
にガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂが接合されろことにより
構成されている。そしてこの接合体（よ、固体高分子電
解質膜０２の両側にガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂを合せ
た後、ホノヘプレス等することにより製造される。また
、ガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂ！よそれぞれ反応膜０４
Ａ。Here, as an example, the basic structure of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell main body will be explained with reference to FIG. As shown in the figure, the battery body 01 is constructed by gas diffusion electrodes 03A and 03B connected to both sides of a solid polymer electrolyte membrane 02. This bonded body is manufactured by aligning the gas diffusion electrodes 03A and 03B on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 02, and then pressing the gas diffusion electrodes 03A and 03B!
A.

０４Ｂ及びガス拡散膜０５Ａ、０５Ｂが接合されたもの
であり、電解！Ｉ摸０２とは反応膜０４Ａ、０４Ｂの表
面が接触している。したがって、電池反応は主に電解質
膜０２と反応膜０４Ａ、０４Ｂとの間の接触面で起こる
。04B and gas diffusion membranes 05A and 05B are joined, and electrolytic! The surfaces of the reaction membranes 04A and 04B are in contact with the I-print 02. Therefore, the battery reaction mainly occurs at the contact surface between the electrolyte membrane 02 and the reaction membranes 04A and 04B.

また、上記ガス拡散電極０３Ａの表面には、酸素供給溝
０６ａを有するガスセパレータが、また他方のガス拡散
電極０３Ｂの表面には水素供給溝０７ａを有するガスセ
パレータ０７がそれぞれ接合されており、酸素極と水素
極を構成している。Further, a gas separator having an oxygen supply groove 06a is bonded to the surface of the gas diffusion electrode 03A, and a gas separator 07 having a hydrogen supply groove 07a is bonded to the surface of the other gas diffusion electrode 03B. It constitutes a pole and a hydrogen pole.

そして、酸素供給溝０６ａ及び水素供給溝０７ａは酸素
及び水素をそれぞれ供給すると、酸素、水素は、各々の
ガス拡散膜０５Ａ、０５Ｂを介して反応！ＰＩ！０４Ａ
、０４Ｂ側へ供給され、各反応膜０４Ａ、０４Ｂと電解
質膜０２との界面で次のような反応が起こる。Then, when oxygen and hydrogen are supplied to the oxygen supply groove 06a and the hydrogen supply groove 07a, respectively, the oxygen and hydrogen react through the respective gas diffusion films 05A and 05B! PI! 04A
, 04B side, and the following reaction occurs at the interface between each reaction membrane 04A, 04B and the electrolyte membrane 02.

反応膜０４Ａの界面：０　　＋　４　Ｈ”〒４　ｅ−→２　ＨＯ反応膜０４Ｂ
の界面：２　Ｈ２→４　Ｈ”＋４　ｅ−ここで、４Ｈ＋は電解質膜０２を通って水素極から酸素
極へ流れるが、４８−は負荷０８を通って水素極から酸
素極へ流れることになｈ１電気エネルギが得られる。Interface of reaction film 04A: 0 + 4 H”〒4 e-→2 HO reaction film 04B
Interface: 2 H2 → 4 H"+4 e- Here, 4H+ flows from the hydrogen electrode to the oxygen electrode through the electrolyte membrane 02, but 48- flows from the hydrogen electrode to the oxygen electrode through the load 08. h1 electrical energy is obtained.

〈発明が解決しようとする課題〉上述した構成の燃料電池本体０１では、電池反応は主に
、電解質膜０２と各反応膜０４Ａ。<Problems to be Solved by the Invention> In the fuel cell main body 01 having the above-described configuration, the cell reaction mainly occurs in the electrolyte membrane 02 and each reaction membrane 04A.

０４Ｂとの接触面で起こるので、電池性能を向上させる
には電極自体を大きくしなければならないという問題が
ある。Since this occurs at the contact surface with 04B, there is a problem in that the electrode itself must be made larger in order to improve battery performance.

そして、通常、一つの燃料電池本体０１、つまリーセル
ユニットから得られる電圧は１■以下なので、一般には
多数のセルユニットを直列に積層することにより高電圧
を得ているので大型化が避けられないのが現状である。Generally, the voltage obtained from one fuel cell main body 01 or re-cell unit is 1■ or less, so high voltage is generally obtained by stacking a large number of cell units in series, so increasing the size can be avoided. The current situation is that there is no such thing.

本発明はこのような事情に鑑み、小型、特に薄型で高電
圧が得られる固体高分子膜燃料電池のセルユニットを提
供することを目的とする。In view of these circumstances, an object of the present invention is to provide a cell unit for a solid polymer membrane fuel cell that is small, particularly thin, and capable of producing high voltage.

＜＊＋ｍを解決するための手段〉前記目的を達成する本発明に係る固体高分子膜燃料電池
のセルユニットは、固体高分子電解質膜を水素極及び酸
素極となる２枚のガス拡散電極で挟んで接合してなる接
合体を複数枚面方向に配列した状態で両側から絶縁性プ
レートにより挾持してなり、上記絶縁性プレートは、上
記接合体の水素極には水素原料ガスを供給すると共に酸
素極には酸素原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
各接合体の水素極と酸素極とを電気的に交互に直列に接
続して集電する集電手段とを具えていることを特徴とす
る。<Means for solving +m> The cell unit of the solid polymer membrane fuel cell according to the present invention that achieves the above object includes a solid polymer electrolyte membrane with two gas diffusion electrodes serving as a hydrogen electrode and an oxygen electrode. A plurality of bonded bodies formed by sandwiching and bonding are arranged in the plane direction and sandwiched between insulating plates from both sides, and the insulating plates supply hydrogen source gas to the hydrogen electrode of the bonded body, and a source gas supply means for supplying oxygen source gas to the oxygen electrode;
It is characterized by comprising a current collecting means that electrically connects the hydrogen electrodes and oxygen electrodes of each bonded body alternately in series to collect current.

く作　　　用〉２枚の絶縁性プレートに挾持された複数枚の接合体に、
原料ガス供給手段により水素原料ガス及び酸素原料ガス
を供給すると、各接合体においてそれぞれ電池反応が生
じる。そして、発電された電気は集電手段により直列に
集電され、高電圧が得られる。Effect〉 Multiple bonded bodies sandwiched between two insulating plates,
When hydrogen source gas and oxygen source gas are supplied by the source gas supply means, a cell reaction occurs in each assembly. Then, the generated electricity is collected in series by the current collecting means, and a high voltage is obtained.

く実　施　例〉以下、本発明に係る固体高分子電解質膜燃料電池のセル
ユニットについて実施例に基づいて説明する。Examples> Hereinafter, a cell unit of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention will be described based on examples.

第１図（ａ）、（ｂｌには、一実施例に係るセルユニッ
トを概念的に示す。両図に示すように、本実施例のセル
ユニット１０は２枚の絶縁性プレー）１１Ａ、ＩＩＢの
間に複数枚の接合体１２を面方向に配列・挾持したもの
である。FIGS. 1(a) and (bl) conceptually show a cell unit according to an embodiment. As shown in both figures, the cell unit 10 of this embodiment includes two insulating plates) 11A, IIB. A plurality of joined bodies 12 are arranged and sandwiched in the plane direction between them.

各接合体１２は、固体高分子電解質膜１３の両側にガス
拡散電極１４Ａ、１４Ｂを接合したものである。Each assembly 12 has gas diffusion electrodes 14A and 14B joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane 13.

ここで、上記固体高分子電解質膜１３としテＩ！　Ｏ−
１７ｍ厚のパーフルオロステフォン酸ポリマー膜（ナフ
ィオン１１７：デュポン社製）を用いた。Here, let us assume that the solid polymer electrolyte membrane 13 is the same as the solid polymer electrolyte membrane 13. O-
A perfluorostefonic acid polymer membrane (Nafion 117: manufactured by DuPont) with a thickness of 17 m was used.

一方、ガス拡散電極１４Ａ、１４Ｂは、平均粒径５０人
の白金と平均粒径４５０人の親水性カーボンブラックと
疎水性カーボンブラックと平均粒径０．３μのポリテト
ラフルオロエチレンとが０．７：　７：　　３：　　３
の割合で成る反応膜１５Ａ、１５Ｂと、平均粒径４２０
人の疎水性カーボンブラックと平均粒径０．３μのポリ
テトラフルオロエチレンとが７：　３の割合から成る疎
水性ガス拡散膜１６Ａ、１６Ｂとから構成されている。On the other hand, the gas diffusion electrodes 14A and 14B are made of platinum with an average particle size of 50, hydrophilic carbon black with an average particle size of 450, hydrophobic carbon black, and polytetrafluoroethylene with an average particle size of 0.3μ. : 7: 3: 3
Reaction films 15A and 15B having a ratio of 420 and an average particle size of 420
The hydrophobic gas diffusion membranes 16A and 16B are composed of human hydrophobic carbon black and polytetrafluoroethylene having an average particle size of 0.3 μ in a ratio of 7:3.

反応膜１５Ａ、１５Ｂ及び疎水性ガス拡散膜１６Ａ、１
６Ｂは、白金以外の各原料粉末にソルベントナフサ、ア
ルコール、水、炭化水素などの溶媒を混合した後、圧縮
成形することにより得ることができる。そして、これら
を重ねて圧延し、反応膜１５Ａ、１５Ｂ側に、塩化白金
酸化還元法によりＰｔ０．５６■／ｄを担持させること
によりガス拡散電極１４Ａ、１４Ｂが製造されろ。Reaction membranes 15A, 15B and hydrophobic gas diffusion membranes 16A, 1
6B can be obtained by mixing each raw material powder other than platinum with a solvent such as solvent naphtha, alcohol, water, or hydrocarbon, and then compression molding the mixture. Then, the gas diffusion electrodes 14A, 14B are manufactured by stacking these and rolling them, and supporting Pt0.56/d on the side of the reaction membranes 15A, 15B by a platinum chloride redox method.

本実施例では、かかるガス拡散膜５１４Ａ。In this embodiment, such a gas diffusion film 514A.

１４Ｂの間に固体高分子電解質膜１３をはさみ、ホット
プレスすることにより接合体１２としている。The solid polymer electrolyte membrane 13 is sandwiched between the parts 14B and hot pressed to form the joined body 12.

また、絶縁プレー）１１Ａ、ＩＩＢの各ガス拡散電極１
４Ａ、１４Ｂに接続する部分には、各ガス拡散電極１４
Ａの表面に沿って酸素供給溝１７が、各ガス拡散電極１
４Ｂの表面に沿って水素供給溝１８と水供給溝１９とが
交互に形成されている。すなわち、各ガス拡散電極１４
Ａは酸素極、各ガス拡散電極１４Ｂは水素極となる固体
高分子電解膜燃料電池が構成されている。なお、水素極
側へ水供給溝１９を設けたのは、冷力及び固体高分子電
解質膜１３への加湿のための水を通すためである。In addition, each gas diffusion electrode 1 of insulation plate) 11A and IIB
Each gas diffusion electrode 14 is connected to the portion connected to 4A and 14B.
An oxygen supply groove 17 is provided along the surface of each gas diffusion electrode 1.
Hydrogen supply grooves 18 and water supply grooves 19 are alternately formed along the surface of 4B. That is, each gas diffusion electrode 14
A solid polymer electrolyte membrane fuel cell is constructed in which A is an oxygen electrode and each gas diffusion electrode 14B is a hydrogen electrode. The reason why the water supply groove 19 was provided on the hydrogen electrode side is to pass water for cooling power and humidification to the solid polymer electrolyte membrane 13.

そして、各接合体１２で発電される電気は、セルユニッ
ト１０毎に直列に集電されるようになっている。すなわ
ち、各接合体１２は、接続ケーブル２０により水素極と
酸素極とが交互になるように直列に接続され、両端が集
電部２１Ａ、２１Ｂに接続されている。The electricity generated by each assembly 12 is collected in series for each cell unit 10. That is, each zygote 12 is connected in series by the connection cable 20 so that hydrogen electrodes and oxygen electrodes alternate, and both ends are connected to current collectors 21A and 21B.

なお、絶縁性プレー）１１Ａ、ＩＩＢは絶縁性の樹脂で
形成され、各接合体１２の各ガス拡散電極１４Ａ、１４
Ｂが１ｅｍ状態となるようになっている。そして、各ガ
ス拡散電極１４Ａ、１４Ｂには集電のため、図示しない
銅製等の金網が埋め込まれており、上記接続ケーブル２
０は当該金網を接続するように設けられている。Note that the insulating plates 11A and IIB are made of insulating resin, and the gas diffusion electrodes 14A and 14 of each bonded body 12 are
B is in a 1em state. A wire mesh (not shown) made of copper or the like is embedded in each gas diffusion electrode 14A, 14B for current collection, and the connection cable 2
0 is provided to connect the wire mesh.

以上の構成において、各酸素供給溝１７へ例えば空気を
、また、各水素供給溝１８へ例えばメタノール改質装置
で製造される改質ガスを供給すると、各接合体１２枚に
発電され、発電された電気は集電部２１Ａ、２１Ｂから
取り出されろ。In the above configuration, when air, for example, is supplied to each oxygen supply groove 17 and reformed gas produced by, for example, a methanol reformer is supplied to each hydrogen supply groove 18, power is generated in each of the 12 joined bodies. The generated electricity is taken out from the current collectors 21A and 21B.

２枚の絶縁プレートＩＩＡ、ＩＩＢの間に５ｃｍ四方の
接合体１２を７０枚並べてセルユニット１０としたとこ
ろ、１枚の接合体１２毎に０７１Ｖ得られるので、集電
部２１Ａ。When 70 bonded bodies 12 of 5 cm square are lined up between two insulating plates IIA and IIB to form a cell unit 10, 071V is obtained for each bonded body 12, so current collector 21A.

２１Ｂ間では４９Ｖの高電圧が得られろ。なお・このセ
ルユニット１０の厚さは５ｍである。A high voltage of 49V can be obtained between 21B. Note that the thickness of this cell unit 10 is 5 m.

また、かかるセルユニット１０を２０セット重ね合セル
と、約１０ｋｗ　（４９ＶＸ　２０８Ａ）の燃料電池と
なる。なお、この場合にも厚さｔｆｉｌＯＯ職と非常に
薄いものである。In addition, 20 sets of such cell units 10 are stacked to form a fuel cell of about 10 kW (49VX 208A). In this case as well, the thickness is very thin, tfilOO.

上記実施例では、各接合体１２の例えば水素極が同じ側
になるように配列したが、これに限定されるものではな
く、水素極と酸素極とが交互に隣接するように配設して
もよい。In the above embodiment, the hydrogen electrodes of each bonded body 12 are arranged on the same side, but the arrangement is not limited to this, and the hydrogen electrodes and oxygen electrodes may be arranged alternately adjacent to each other. Good too.

この場合には平面状の接続部とすることができ、集電効
率が向上するという効果を奏する。In this case, it is possible to form a planar connection portion, which has the effect of improving current collection efficiency.

また、上記実施例では各接合体１２の例えば水素極が同
じ側になるように配列してぃろが、勿論これに限定され
ろものではなく、例えば水素極と酸素極とが隣接するよ
うに配設してもよい。なお、この場合には接続ケーブル
２０として平面状のものを用いろことができ、集電効率
の向上を図ることができる。Further, in the above embodiment, the hydrogen electrodes of each bonded body 12 are arranged on the same side, but the arrangement is not limited to this, for example, and the hydrogen electrode and the oxygen electrode are arranged adjacent to each other. May be placed. In this case, a flat connection cable 20 can be used, and current collection efficiency can be improved.

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明に係る固体高分子電解質層
燃料電池のセルユニットは小面積の接合体を面方向に配
列し、電気的に直列に集電するようにしているので、薄
型で高電圧が得られるものである。<Effects of the Invention> As explained above, in the cell unit of the solid polymer electrolyte layer fuel cell according to the present invention, small-area conjugates are arranged in a planar direction so as to collect current electrically in series. Therefore, it is thin and can obtain high voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図（ａｌは一実施例に係るセルユニットの断面図、
第１図（ｂｌはそのＡ−Ａ線断面図、第２図は従来技術
に係る固体高分子膜燃料電池を概念的に示す説明図であ
る。−面　中、１０はセルユニット、１１Ａ、ＩＩＢは絶縁性プレート、１２は接合体、１３は固体高分子電解質膜、１４Ａ、１４Ｂはガス拡散電極、１５Ａ、１５Ｂは反応膜、１６Ａ、１６Ｂはガス拡散膜、１７は酸素供給溝、１８は水素供給溝、１９は水供給溝、２０は接続ケーブル、２１Ａ、２１Ｂは集電部である。特　　許　　出　　願　　人三菱重工業株式会社代　　　　理　　　　人FIG. 1 (al is a cross-sectional view of a cell unit according to one embodiment,
FIG. 1 (bl is a cross-sectional view taken along the line A-A, and FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing a solid polymer membrane fuel cell according to the prior art. In the figure, 10 is a cell unit, 11A, IIB 12 is an insulating plate, 12 is a bonded body, 13 is a solid polymer electrolyte membrane, 14A, 14B are gas diffusion electrodes, 15A, 15B are reaction membranes, 16A, 16B are gas diffusion membranes, 17 is an oxygen supply groove, 18 is hydrogen 19 is a water supply groove, 20 is a connection cable, and 21A and 21B are current collectors. Patent applicant: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Agent

Claims (1)

Translated fromJapanese

【特許請求の範囲】固体高分子電解質膜を水素極及び酸素極となる２枚のガ
ス拡散電極で挟んで接合してなる接合体を複数枚面方向
に配列した状態で両側から絶縁性プレートにより挾持し
てなり、上記絶縁性プレートは、上記接合体の水素極には水素原
料ガスを供給すると共に酸素極には酸素原料ガスを供給
する原料ガス供給手段と、各接合体の水素極と酸素極と
を電気的に交互に直列に接続して集電する集電手段とを
具えていることを特徴とする固体高分子電解質膜燃料電
池のセルユニット。[Claims] A solid polymer electrolyte membrane is sandwiched and bonded between two gas diffusion electrodes serving as a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and a plurality of bonded bodies are arranged in the plane direction, and insulating plates are attached from both sides. The insulating plate is sandwiched between the hydrogen electrode of each bonded body and the source gas supply means for supplying hydrogen source gas to the hydrogen electrode and oxygen source gas to the oxygen electrode, and the hydrogen electrode and oxygen of each bonded body. 1. A cell unit for a solid polymer electrolyte membrane fuel cell, comprising a current collecting means for collecting current by electrically connecting electrodes in series alternately.