JPH10289722A - Solid macromolecular type fuel cell and manufacture therefor - Google Patents

Solid macromolecular type fuel cell and manufacture therefor

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JPH10289722A
JPH10289722A JP9094179A JP9417997A JPH10289722A JP H10289722 A JPH10289722 A JP H10289722A JP 9094179 A JP9094179 A JP 9094179A JP 9417997 A JP9417997 A JP 9417997A JP H10289722 A JPH10289722 A JP H10289722A
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Minoru Kaneko
実 金子
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid macromolecular fuel cell, having a positively superior gas-sealing structure. SOLUTION: A cathode-side collector 41 is the same as a solid macromolecular membrane in size. A collector 40 having an anode 12, the solid macromolecular membrane 11 and the collector 41 having a cathode 13 at its center are laminated. A cell structure CU1 integrated by fusing each contact part of them by the hot press method and separator plates 20, 30 are alternately laminated to form a layered product.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、ガスシール性能向上の技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a technique for improving gas sealing performance.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池400の一例を図
9に示す。同図に示すように、固体高分子膜411の中
央部にアノード412とカソード413(同図において
は固体高分子膜11の背面にあって見えない。)とが配
されたセル410と、セル410を挟持する1対のリブ
付きセパレータ板420,430と、アノード412,
カソード413と接するように、セパレータ板420,
430とセル410との間に介挿された1対の集電体4
40,441と、セパレータ板420,430の外周部
とセル410との間に介挿されたこの部分をシールする
シール部材450,460とが積層された構成であっ
て、上記セパレータ420,430に各々ガスを供給し
電力を発生させるものである。
2. Description of the Related Art An example of a polymer electrolyte fuel cell 400 is shown in FIG. As shown in the figure, a cell 410 in which an anode 412 and a cathode 413 (in the figure, they are not visible on the back of the solid polymer film 11) are arranged in the center of the solid polymer film 411, A pair of ribbed separator plates 420 and 430 that sandwich
The separator plate 420,
A pair of current collectors 4 interposed between 430 and cell 410
40, 441, and sealing members 450, 460 that seal this portion interposed between the outer peripheral portions of the separator plates 420, 430 and the cells 410, and are stacked on the separators 420, 430. Each supplies gas to generate electric power.

【0003】以上の固体高分子型燃料電池においては、
供給される水素ガスと空気とが漏れないようにするため
に、外周部はシールされている。即ち、図9に示したよ
うに固体高分子膜411の主表面の周縁部をシール部材
450,460で圧接することでガスの封止性に優れた
ガスシール構造を実現している。
In the above polymer electrolyte fuel cells,
The outer peripheral portion is sealed to prevent the supplied hydrogen gas and air from leaking. That is, as shown in FIG. 9, by pressing the periphery of the main surface of the solid polymer film 411 with the sealing members 450 and 460, a gas sealing structure having excellent gas sealing properties is realized.

【0004】ところが、前記ガスシール構造では、固体
高分子膜がシール部材450,460で上下から単に圧
接されているものでは、電池運転に伴って次第に締付力
が低下すると、シール部材と固体高分子膜との配置状態
がずれるなどしてガスシール性も低下してしまうといっ
た問題がある。これに対して、特開平5−283093
号公報には、図10(a)に示すように固体高分子膜5
01の中央部分に電極502,503を対向させ、さら
に、電極502,503の周囲にシール部材である枠体
状のゴムシート504,505をその内周部分に電極外
周部分が内接(図10(b)を参照)するように配置し
た積層体を、熱圧着することによって固体高分子膜にゴ
ムシートを圧着させた構造体510を得て、これをセパ
レータ520,530と交互に積層することによって、
前述のようなガスシール性能の低下といった問題を克服
した固体高分子型燃料電池について開示されている。
However, in the gas seal structure, when the solid polymer film is simply pressed from above and below by the seal members 450 and 460, if the tightening force gradually decreases with the operation of the battery, the seal member and the solid high There is a problem that the gas sealing property is deteriorated due to a shift in the arrangement state with the molecular film. On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-283093 discloses
Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-26095 discloses a solid polymer membrane 5 as shown in FIG.
The electrodes 502 and 503 are opposed to the central portion of the first electrode 01, and frame-shaped rubber sheets 504 and 505 as seal members are provided around the electrodes 502 and 503. (See (b)), a structure 510 in which a rubber sheet is press-bonded to a solid polymer film is obtained by thermocompression-bonding the layered body arranged as described above, and this is alternately stacked with separators 520 and 530. By
There is disclosed a polymer electrolyte fuel cell which overcomes the above-mentioned problem such as a decrease in gas sealing performance.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池において、通常、電極の外周とシール部材の
内周との間に間隙があれば、反応ガスの差圧によって固
体高分子膜が弛んだり、破損したりすることもある。上
記公報の燃料電池においてもそのような膜の損傷を防ぐ
ためには、シール部材の内周と電極の外周の寸法を厳密
に揃える必要があるが、実際には製作上困難性を伴うと
考えられる。
In a polymer electrolyte fuel cell, if there is usually a gap between the outer periphery of the electrode and the inner periphery of the sealing member, the solid polymer membrane is formed by the differential pressure of the reaction gas. It can be loose or damaged. In order to prevent such membrane damage also in the fuel cell disclosed in the above publication, it is necessary to strictly adjust the dimensions of the inner periphery of the seal member and the outer periphery of the electrode, but it is considered that in practice, manufacturing difficulty is involved. .

【0006】また、そればかりか、固体高分子膜の膨張
・収縮にともなって生じる張力によって、固体高分子膜
の周縁部分の強度が低下する。この強度低下が進行すれ
ば、最悪は固体高分子膜自体が破損してしまう場合もあ
る。そこで、本発明は、以上の課題に鑑みてなされたも
のであって、確実に、ガスシール性能が向上された固体
高分子型燃料電池を提供し、かつ、その簡単な製造方法
を提供することを目的としてなされたものである。
In addition, the strength of the peripheral portion of the solid polymer film decreases due to the tension generated by the expansion and contraction of the solid polymer film. If the strength decreases, the solid polymer film itself may be damaged at worst. Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a polymer electrolyte fuel cell with reliably improved gas sealing performance, and a simple manufacturing method thereof. It was made for the purpose of.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、カソード側集電体と、カソードと、固体
高分子膜と、アノードと、アノード側集電体を配した固
体高分子型燃料電池において、前記固体高分子膜の主表
面、略中央部にアノードおよびカソードが位置し、アノ
ード側集電体およびカソード側集電体の少なくとも一方
は、隣接する電極よりも大きく、固体高分子膜の外周部
分は、当該集電体と接合している。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a solid-state current collector having a cathode-side current collector, a cathode, a solid polymer film, an anode, and an anode-side current collector. In the molecular fuel cell, the main surface of the solid polymer membrane, the anode and the cathode are located at substantially the center, at least one of the anode-side current collector and the cathode-side current collector is larger than the adjacent electrode, The outer peripheral portion of the polymer film is bonded to the current collector.

【0008】これによって、確実に耐久性に優れたガス
シール構造を有する。つまり、特に、強度が低下しやす
い固体高分子膜の周縁部分を集電体と接合させることに
よって、膜周縁部分の強度を補強する構造となってい
る。したがって、ガス差圧および膜自体の膨張・収縮に
よる膜の破損を確実に防止する。しかも、このような構
成によれば、厳密に寸法合わせしなくても電極まわりの
間隙をなくすことができるので、ガスシール構造の作製
が簡単である。
[0008] Thus, a gas seal structure having excellent durability is surely provided. That is, in particular, the structure is such that the peripheral portion of the solid polymer film, whose strength tends to decrease, is joined to the current collector to reinforce the strength of the peripheral portion of the film. Therefore, it is possible to reliably prevent the membrane from being damaged due to the gas differential pressure and the expansion and contraction of the membrane itself. Moreover, according to such a configuration, the gap around the electrodes can be eliminated without strictly adjusting the dimensions, and thus the gas seal structure can be easily manufactured.

【0009】この構成において、前記集電体で対向する
電極よりも小さい集電体の周縁部には、シール部材を固
体高分子膜に対して接合した状態で配置することもでき
る。更に、大きい方の集電体の周縁部に、シール部材を
嵌め込み、当該シール部材を固体高分子膜と接合させる
こともできる。このようにシール部材を固体高分子膜に
接合して配することによって、アノードガスのガスシー
ル性能は一層向上する。
[0009] In this configuration, a sealing member may be arranged on the periphery of the current collector smaller than the electrode facing the current collector in a state of being joined to the solid polymer film. Further, a sealing member may be fitted to the periphery of the larger current collector, and the sealing member may be joined to the solid polymer film. By thus arranging the seal member by bonding it to the solid polymer membrane, the gas sealing performance of the anode gas is further improved.

【0010】上記構造の固体高分子型燃料電池の製造方
法は、アノード側集電体、アノード、固体高分子膜、カ
ソード、カソード側集電体およびシール部材とが融着に
より一体化した構造体を作製する第1のステップと、次
に、前記第1のステップで得られる前記構造体を一対の
押え板で挟持して積層体を作製する第2のステップとか
らなる製造方法で作製することができる。なお、ここで
言う押え板は、実質上は、セパレータ板のことを意味し
ている。
The method for manufacturing a solid polymer fuel cell having the above structure is a structure in which an anode-side current collector, an anode, a solid polymer membrane, a cathode, a cathode-side current collector, and a sealing member are integrated by fusion. And a second step of forming a laminate by sandwiching the structure obtained in the first step between a pair of pressing plates to form a laminate. Can be. Note that the presser plate referred to here substantially means a separator plate.

【0011】この製法によれば、従来のように固体高分
子膜を挟持する枠体寸法を厳密に規定しなくても、簡単
にガスシール性に優れた固体高分子型燃料電池を作製す
ることができる。また、電池組立時の固体高分子膜のカ
ーリングを防止できるので、組立時における固体高分子
膜のハンドリングが容易である。そのため、作業工程が
スムーズに進行する。
According to this manufacturing method, it is possible to easily produce a polymer electrolyte fuel cell having excellent gas sealing properties without having to strictly define the dimensions of the frame holding the solid polymer membrane as in the prior art. Can be. Further, curling of the solid polymer film during battery assembly can be prevented, so that handling of the solid polymer film during assembly is easy. Therefore, the work process proceeds smoothly.

【0012】ここで、前記第1のステップでの融着は、
ホットプレス法が最も簡便な方法である。前記ホットプ
レス法の条件は、温度;固体高分子膜のガラス転移温度
以上、固体高分子膜の分解温度未満、圧力;5kg/c
2以上100kg/cm2以下に規定すれば、より確実
に優れたガスシール構造を、電池電圧を低下させること
なく実現することができる。
Here, the fusion in the first step is as follows:
Hot pressing is the simplest method. The conditions of the hot pressing method are as follows: temperature; above the glass transition temperature of the solid polymer membrane, below the decomposition temperature of the solid polymer membrane, pressure; 5 kg / c
When it is specified to be not less than m 2 and not more than 100 kg / cm 2 , a more excellent gas seal structure can be realized without lowering the battery voltage.

【0013】また、前記第1のステップにおけるサブス
テップで、接着剤を集電体と固体高分子膜の接触面に塗
布すれば、より密着性に優れたセル構造体を作製でき
る。ここで前記接着剤に、導電性粉末を添加したものを
用いれば、集電性能を向上させることができる。また、
固体高分子型燃料電池において、アノードとカソード
が、固体高分子膜の主表面に互いに対向する位置に配さ
れたセルと、固体高分子膜と略同等の縦・横寸法で、そ
の略中央部に窓が開設された第1アノード集電体と第1
カソード集電体が、前記窓が各電極に対向するようにし
て挟持され、固体高分子膜と集電体とが前述したように
接合した構成とすることもできる。
In a sub-step of the first step, if an adhesive is applied to the contact surface between the current collector and the solid polymer film, a cell structure having better adhesion can be manufactured. Here, if a material obtained by adding a conductive powder to the adhesive is used, the current collecting performance can be improved. Also,
In a polymer electrolyte fuel cell, a cell in which an anode and a cathode are arranged at positions opposing each other on the main surface of a solid polymer membrane, and a cell having substantially the same vertical and horizontal dimensions as the solid polymer membrane and a substantially central portion thereof Anode current collector and window
The cathode current collector may be sandwiched such that the window faces each electrode, and the solid polymer film and the current collector may be joined as described above.

【0014】ここで、前記集電体が前記挟持部材を兼ね
るようにすることで、電池構成部材数を少なくすること
ができる。また、前記第1集電体と電極間少なくとも一
方に、ガス透過性を有する第2集電体を介在させれば、
集電性を向上させることができる。
Here, the number of battery components can be reduced by allowing the current collector to also serve as the holding member. Also, if a second current collector having gas permeability is interposed at least between the first current collector and the electrode,
The current collecting performance can be improved.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

〔実施形態1〕 (固体高分子型燃料電池1の全体の構成について)本発
明の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池1(以下
「燃料電池1」という。)について、図面を参照しなが
ら説明する。図1は、その構成を示す組立図であり、図
2は、図1におけるX−X線矢視断面図である。
Embodiment 1 (Overall Configuration of Polymer Electrolyte Fuel Cell 1) A polymer electrolyte fuel cell 1 (hereinafter referred to as “fuel cell 1”) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. I will explain it. FIG. 1 is an assembly view showing the configuration, and FIG. 2 is a sectional view taken along line XX in FIG.

【0016】この燃料電池1における基本単位100
は、固体高分子膜11の中央部に相当する位置において
片面(図面では下面)にアノード12を配した集電体4
0と、片面(図面では上面)にカソード13(図1では
見えない)を配し固体高分子膜11と同等の縦・横寸法
をなした集電体41と、シール部材50とが接合により
一体化したセル構造体CU1と、セル構造体CU1を挟
持するガスチャネル21…が形成されたセパレータ板2
0およびガスチャネル31…が形成されたセパレータ板
30とを積層した構成である。
The basic unit 100 of the fuel cell 1
Is a current collector 4 in which an anode 12 is disposed on one surface (the lower surface in the drawing) at a position corresponding to the center of the solid polymer film 11.
0, a current collector 41 having a cathode 13 (not shown in FIG. 1) on one side (upper surface in the drawing) and having the same vertical and horizontal dimensions as the solid polymer film 11 and a sealing member 50 are joined. An integrated cell structure CU1 and a separator plate 2 in which gas channels 21 sandwiching the cell structure CU1 are formed.
And a separator plate 30 on which gas channels 31 are formed.

【0017】そして、燃料電池1はこのような基本単位
100が、例えば5個積層される毎に、冷却水流通路1
11が形成された冷却プレート110が介挿されて積層
体が形成され、当該積層体の両端が1対の端板(不図
示)で押さえられて構成されている。なお、積層される
基本単位100の数は、出力しようとする電圧に応じて
設定される。
The fuel cell 1 has a cooling water flow path 1 every five such basic units 100 are stacked.
The laminated body is formed by interposing the cooling plate 110 in which the 11 is formed, and both ends of the laminated body are pressed by a pair of end plates (not shown). The number of basic units 100 to be stacked is set according to the voltage to be output.

【0018】前記アノードガスチャネル21…は集電体
40を介してアノード12と対向し、カソードガスチャ
ネル31…は集電体41を介してカソード13と対向し
ている。セル構造体CU1,セパレータ板20,30お
よび冷却プレート110の各々の角の部分には反応ガス
供給・排出用のマニホールドを構成する貫通孔121〜
124が開設され、セパレータ板20,30の対角線上
に位置する貫通孔121,123および122,124
は前記ガスチャネルと連通されている。また、各プレー
トの一対の対向する辺の中央部に冷却水流入・流出用マ
ニホールドを構成する貫通孔125,126が開設さ
れ、冷却水流通路111と連通されている。
The anode gas channels 21 are opposed to the anode 12 via a current collector 40, and the cathode gas channels 31 are opposed to the cathode 13 via a current collector 41. At each corner of the cell structure CU1, the separator plates 20, 30 and the cooling plate 110, through-holes 121 to 121 constituting a manifold for supplying and discharging the reaction gas are provided.
124 are opened, and the through holes 121, 123 and 122, 124 located on diagonal lines of the separator plates 20, 30.
Is in communication with the gas channel. Further, through holes 125 and 126 constituting a cooling water inflow / outflow manifold are opened at the center of a pair of opposite sides of each plate, and communicate with the cooling water flow passage 111.

【0019】なお、このような内部マニホールドの構造
に関しては、公知であるので便宜上詳述は避ける。そし
て、カソードガス供給用のマニホールドに供給されるカ
ソードガスは、複数のカソードガスチャネル31…に分
配され、カソード13で発電に用いられた後、カソード
ガス排出用のマニホールドから排出される。一方、アノ
ードガス供給用のマニホールドに供給されるアノードガ
スは、複数のアノードガスチャネル21…に分配され、
アノード12で発電に用いられた後、アノードガス排出
用のマニホールドから排出されるようになっている。
The structure of such an internal manifold is well-known and will not be described in detail for convenience. Then, the cathode gas supplied to the cathode gas supply manifold is distributed to the plurality of cathode gas channels 31 and used by the cathode 13 for power generation, and then discharged from the cathode gas discharge manifold. On the other hand, the anode gas supplied to the anode gas supply manifold is distributed to the plurality of anode gas channels 21.
After being used for power generation at the anode 12, it is discharged from a manifold for discharging anode gas.

【0020】(セル構造体CU1について)次に、前記
セル構造体CU1について詳細に説明する。セル構造体
CU1における固体高分子膜11は、陽イオン交換性を
有する数十μm(例えば、50μm)の厚みで、長方形
状のナフィオン膜(デュポン社製)を用いる。その他に
も、スルホン酸基を持つポリスチレン系樹脂或はパーフ
ルオロカーボンスルホン酸に補強剤としてのポリテトラ
フルオロエチレン(テフロン,デュポン社製,PTF
E)を混合した混合膜,フルオロカーボンスルホン酸と
補強剤としてのポリビニリデンフロライドとの混合膜,
このような混合膜にさらにトリフルオロエチレンを補強
剤としてグラフト化したものなどを用いることができ
る。
(Regarding Cell Structure CU1) Next, the cell structure CU1 will be described in detail. As the solid polymer membrane 11 in the cell structure CU1, a rectangular Nafion membrane (manufactured by DuPont) having a thickness of several tens of μm (for example, 50 μm) having a cation exchange property is used. In addition, polytetrafluoroethylene (Teflon, manufactured by DuPont, PTF) is used as a reinforcing agent for a polystyrene resin having a sulfonic acid group or a perfluorocarbon sulfonic acid.
E), a mixed film of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride as a reinforcing agent,
A material obtained by further grafting trifluoroethylene as a reinforcing agent to such a mixed film can be used.

【0021】シール部材50は、弾力性のある材質、例
えばEPDMゴムからなり、その外周は固体高分子膜1
1の外周と同等の寸法であり、その内周は、アノード1
2の外周、集電体40の外周と略同等の寸法である。集
電体41は、溌水処理した多孔性カーボンの薄板であっ
て、例えば、カーボン粉末とフッ素樹脂のペースト状の
混合物を市販のカーボンペーパに塗布し、この塗布され
たものを熱処理(例えば、380℃で2時間処理す
る。)して作製することができる。
The seal member 50 is made of an elastic material, for example, EPDM rubber, and its outer periphery is
1 has the same dimensions as the outer circumference of the anode 1
2 and the outer periphery of the current collector 40. The current collector 41 is a water-repellent thin plate of porous carbon. For example, a paste-like mixture of carbon powder and a fluororesin is applied to a commercially available carbon paper, and the applied material is subjected to a heat treatment (for example, The treatment is performed at 380 ° C. for 2 hours.)

【0022】フッ素樹脂の具体例としては、PTFEの
他に、ナフィオン,テトラフルオロエチレン−ペルフル
オロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA),テト
ラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合
(FEP),ポリクロロトリフルオロエチレン(PCT
FE),ポリフッ化ビニリデン(PVDF),テトラフ
ルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)等を挙
げることができる。
Specific examples of the fluororesin include, in addition to PTFE, Nafion, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinylether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polychlorotrifluoroethylene. (PCT
FE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE) and the like.

【0023】前記ペーストを塗布したものを乾燥後、さ
らに、フッ素樹脂を分散させた溶液を含浸させるか、あ
るいは、スプレーによって噴霧し、これを熱処理するこ
とで、集電体41は均一に溌水処理され、かつ、溌水性
が向上する。この集電体41の中央部分に対して、白金
が担持されたカーボン粉末とナフィオンとの混合物をス
クリーン印刷法で所定の厚み(例えば、30μm)に塗
布することによりカソード13を構成する触媒層が形成
される。
After the paste is dried, the current collector 41 is uniformly impregnated with water by impregnating with a solution in which a fluororesin is dispersed or spraying the solution with a spray and heat-treating the solution. Treated and water repellency is improved. A catalyst layer constituting the cathode 13 is formed by applying a mixture of carbon powder carrying platinum and Nafion to a central portion of the current collector 41 to a predetermined thickness (for example, 30 μm) by a screen printing method. It is formed.

【0024】なお、集電体41において、前記のように
カーボン粉末と樹脂との混合ペーストを使用して溌水処
理することによって、発電によってカソード側で生成す
る反応生成水が電極との接触面に滞留しにくく、反応ガ
スの流通性が妨げられない。なお、カーボン粉末に替え
て、その他の導電性粉末を用いることもでき、また、シ
リカゲルやゼオライト粉末等の非導電性物質であって
も、集電体41の導電性に影響を与えない程度のもので
あれば使用可能である。
In the current collector 41, the water produced by the water repellent treatment using the mixed paste of the carbon powder and the resin as described above causes the reaction product water generated on the cathode side by the power generation to be brought into contact with the electrode. And the flowability of the reaction gas is not hindered. It should be noted that other conductive powders can be used in place of the carbon powder, and even a non-conductive substance such as silica gel or zeolite powder is used to such an extent that the conductivity of the current collector 41 is not affected. Anything can be used.

【0025】集電体40は、市販のカーボンペーパに、
FEP16wt%含有アルコール溶液を含浸させたの
ち、これを例えば380℃で1時間熱処理し、これにカ
ソードと同様に同等の大きさにスクリーン印刷によっ
て、アノード12を構成する触媒層を形成し、アノード
12の周縁部分のカーボンペーパを切り落として作製さ
れたものである。
The current collector 40 is a commercially available carbon paper,
After impregnating with an alcohol solution containing 16% by weight of FEP, this is heat-treated at, for example, 380 ° C. for 1 hour, and a catalyst layer constituting the anode 12 is formed thereon by screen printing to the same size as the cathode. Is produced by cutting off the carbon paper in the peripheral portion of the above.

【0026】そして、セル構造体CU1は、電極触媒層
(アノード12およびカソード13)が固体高分子膜1
1に対して対向するように集電体40と集電体41間に
固体高分子膜11を介在させ、さらに、集電体40周囲
にシール部材50を配置して積層体を作製し、これをホ
ットプレス法によって、電極中の結着剤であるPTF
E,集電体40の溌水処理剤,集電体41の表面の溌水
処理剤,固体高分子膜11およびシール部材50全てを
融着させることで一体化して作製される(第1ステッ
プ)。なお、接合方法はホットプレス法に限定されるこ
となく、その他、高周波融解などでもよい。
In the cell structure CU1, the electrode catalyst layers (the anode 12 and the cathode 13) are made of the solid polymer membrane 1
The solid polymer film 11 is interposed between the current collector 40 and the current collector 41 so as to be opposed to 1, and a sealing member 50 is arranged around the current collector 40 to form a laminate. By hot pressing, PTF as a binder in the electrode
E, the water repellent of the current collector 40, the water repellent of the surface of the current collector 41, the solid polymer film 11, and the sealing member 50 are all fused to be integrally formed (first step). ). The joining method is not limited to the hot pressing method, and may be high-frequency melting or the like.

【0027】融着条件は、融着に供される部材のガラス
転移温度以上で、熱分解しない程度の温度で、付加する
圧力は、各部材の厚みや構成素材などにも依存するが、
シール性を確保するために5kgf/cm2以上である
ことが望ましく、また、電極のショート発生を防止を図
るために100kg/cm2以下であることが望まし
い。なお、以下の各実施の形態においても、同様に融着
は前述した範囲の条件で行うこのが望ましい。
The fusing conditions are not lower than the glass transition temperature of the members to be subjected to fusing and do not cause thermal decomposition. The applied pressure depends on the thickness of each member and the constituent materials.
It is preferable that the pressure is 5 kgf / cm 2 or more in order to secure the sealing property, and it is preferable that the pressure is 100 kg / cm 2 or less in order to prevent occurrence of short circuit of the electrode. In each of the following embodiments, it is preferable that the fusion be performed under the above-described conditions.

【0028】ホットプレス法における具体的な条件とし
ては、例えば、温度;150℃,圧力;50kg/cm
2,処理時間;90secが挙げられる。また、上記融
着処理において、固体高分子膜11と集電体41の間
に、ナフィオン等、固体高分子膜11と同様のフッ素樹
脂のアルコール溶液を塗布し、上記ホットプレス法を施
せば、当該樹脂を接着剤とすることによって密着性がさ
らに向上する。
Specific conditions in the hot pressing method include, for example, a temperature: 150 ° C., a pressure: 50 kg / cm.
2 , processing time: 90 sec. In addition, in the fusion treatment, between the solid polymer film 11 and the current collector 41, an alcohol solution of the same fluororesin as the solid polymer film 11, such as Nafion, is applied, and the hot press method is performed. Adhesion is further improved by using the resin as an adhesive.

【0029】さらに、前記フッ素樹脂等が単独の塗布剤
ではなく、導電性に優れる例えばカーボン粉末を添加混
合したペーストを用いて、接合させれば集電体41の集
電性能を向上させることができる。このように、フッ素
樹脂を塗布した場合にあっては、この塗布剤は液体であ
るので、それを用いない場合よりも、低い温度でも融着
させることが可能である。
Furthermore, the current collecting performance of the current collector 41 can be improved by bonding using a paste obtained by adding and mixing, for example, carbon powder, which is excellent in conductivity, instead of the above-mentioned fluororesin or the like as a single coating agent. it can. As described above, when the fluororesin is applied, since the coating agent is a liquid, it can be fused even at a lower temperature than when not using it.

【0030】このような融着処理によって、集電体41
の電極周囲部41aと、固体高分子膜11の下面周縁部
11aとが、また、固体高分子膜11の上面周縁部11
bとシール部材50の下面50aとが直接的に融着され
る。電極12および13は固体高分子膜11に対向する
面の全面が、固体高分子膜11に対して融着される。前
記一体構成のセル構造体CU1を、セパレータ板20,
30等と交互に積層することによって、電池積層体は組
み立てる(第2ステップ)。
By such a fusion process, the current collector 41
Of the solid polymer film 11 and the upper peripheral portion 11 a of the solid polymer film 11.
b and the lower surface 50a of the seal member 50 are directly fused. The entire surface of the electrodes 12 and 13 facing the solid polymer film 11 is fused to the solid polymer film 11. The integrated cell structure CU1 is connected to the separator plate 20,
The battery stack is assembled by alternately stacking the battery stack with 30 and the like (second step).

【0031】なお、以上説明した燃料電池1では、空気
が外部に漏出することを防止するためのシール部材は設
けていないが、発電上なんら問題はない。 (燃料電池1の効果について)前記燃料電池1において
は、優れた耐久性を有するガスシール構造を確実に実現
している。すなわち、固体高分子膜11は、その周縁部
すなわち電極周囲の部分で集電体41と接合されて一体
化されているので、周縁部分で強度が確実に補強される
構造になっている。従って、膜自体の膨張・収縮による
面方向に作用する張力(図2の矢印T1)に対する耐性
も確実に向上するので、その張力による膜の破損を回避
できる。
In the fuel cell 1 described above, no seal member is provided for preventing air from leaking to the outside, but there is no problem in power generation. (Effects of Fuel Cell 1) In the fuel cell 1, a gas seal structure having excellent durability is reliably realized. That is, since the solid polymer film 11 is joined to and integrated with the current collector 41 at the peripheral portion, that is, the portion around the electrodes, the structure is such that the strength is reliably reinforced at the peripheral portion. Accordingly, the resistance to the tension (arrow T1 in FIG. 2) acting in the plane direction due to the expansion and contraction of the film itself is also reliably improved, and damage to the film due to the tension can be avoided.

【0032】また、電池運転に伴う温度変化によって固
体高分子膜11およびシール部材50に膨張、収縮する
ような力が作用したとしても、それらの接触面は接合し
ているので、常に、双方は高い密着性を維持することが
でき、固体高分子膜11とシール部材50との位置はず
れない。さらに、電極周囲には間隙が殆どないので、ガ
スシール構造における基本的性能としてのガス圧差(図
2における矢印T2)に対する耐性も確保されている。
Even if a force such as expansion and contraction acts on the solid polymer membrane 11 and the sealing member 50 due to a temperature change accompanying the operation of the battery, the contact surfaces thereof are joined. High adhesion can be maintained, and the positions of the solid polymer film 11 and the seal member 50 do not shift. Further, since there is almost no gap around the electrode, the resistance to the gas pressure difference (arrow T2 in FIG. 2) as a basic performance in the gas seal structure is secured.

【0033】つまり、反応ガスのクロスリークや外部へ
の漏出は確実に防止され、ガス利用率を低下させること
なく発電することができる。燃料電池1は、第2ステッ
プの積層工程において、固体高分子膜11が予めカソー
ド側集電体41に融着されているので、固体高分子膜1
1がその角部分で中央方向にカーリングすることがな
く、固体高分子膜のハンドリングが容易であり、かつ、
固体高分子膜の変形をなくすことができる。つまり、電
池組立作業を容易、かつ、迅速に実施できる。
That is, cross-leakage and leakage of the reaction gas to the outside are reliably prevented, and power can be generated without lowering the gas utilization rate. In the fuel cell 1, since the solid polymer film 11 is previously fused to the cathode-side current collector 41 in the second stacking step, the solid polymer film 1
1 does not curl toward the center at the corners, so that the handling of the solid polymer membrane is easy, and
The deformation of the solid polymer film can be eliminated. That is, the battery assembling operation can be performed easily and quickly.

【0034】また、固体高分子膜11を、集電体41の
周縁部に接合させるという簡単な方法で、確実に電極周
囲部分での膜の強度を補強することができる。 〔実施の形態2〕本発明の別な実施の形態に係る燃料電
池200について図を用いて説明する。図3は燃料電池
200の主要構成を示す組立図であり、図4はそのY−
Y線矢視断面図である。
Further, by a simple method of joining the solid polymer film 11 to the peripheral portion of the current collector 41, the strength of the film around the electrode can be surely reinforced. [Embodiment 2] A fuel cell 200 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is an assembly diagram showing a main configuration of the fuel cell 200, and FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along line Y.

【0035】本燃料電池200は、アノード側集電体と
カソード側集電体の大小関係が前記燃料電池1とは逆の
関係をなし、アノード側とカソード側の両方にシール部
材が介在されている以外、基本的な構造は前記燃料電池
1と略同一の構成の燃料電池である。図3及び図4に示
すように、当該燃料電池200においては、アノード2
02側の集電体201が固体高分子膜203と略同等の
縦・横寸法をしており、カソード204側の集電体20
5は、固体高分子膜203の中央部に位置するカソード
204と略同等の縦・横寸法をなしている。
In the fuel cell 200, the size relationship between the anode-side current collector and the cathode-side current collector is opposite to that of the fuel cell 1, and a sealing member is interposed on both the anode side and the cathode side. The basic structure of the fuel cell 1 is substantially the same as that of the fuel cell 1 except for the above. As shown in FIGS. 3 and 4, in the fuel cell 200, the anode 2
The current collector 201 on the cathode 204 side has the same vertical and horizontal dimensions as the solid polymer film 203.
Reference numeral 5 has substantially the same vertical and horizontal dimensions as the cathode 204 located at the center of the solid polymer film 203.

【0036】集電体201の上下面を含む周縁部には、
四辺形の枠体状、弾力性のある材質からなるシール部材
206が嵌め込めれ、固体高分子膜203のアノード2
02側の周囲面203aが、前記シール部材206の下
面206aおよび集電体201の周囲寄り下面201a
に対して、また、固体高分子膜203のカソード204
側の周囲面203bとシール部材207の上面207a
とが接合し一体化したセル構造体CU2を構成してい
る。
In the peripheral portion including the upper and lower surfaces of the current collector 201,
A seal member 206 made of a resilient material having a quadrangular frame shape is fitted therein, and the anode 2 of the solid polymer film 203 is inserted.
The peripheral surface 203a on the 02 side is the lower surface 206a of the seal member 206 and the lower surface 201a near the periphery of the current collector 201.
And the cathode 204 of the solid polymer film 203
Side peripheral surface 203b and upper surface 207a of seal member 207
Are joined and integrated to constitute a cell structure CU2.

【0037】このセル構造体CU2の上下面が、セパレ
ータ板210,セパレータ板220で挟持されてなる基
本単位が、適宜冷却プレート230を介在させながら交
互に積層されて燃料電池スタックを構成する。セパレー
タ板210,220双方には、前記セパレータ板20,
30と同様にガスチャネル211…並びにガスチャネル
221…が形成されているが、本実施の形態では、積層
時にリブ211a…がアノード側集電体201に接触す
るようにセパレータ板210の主表面の周縁部分が、前
記シール部材206の厚みd相当だけ切削されている。
A basic unit in which the upper and lower surfaces of the cell structure CU2 are sandwiched between separator plates 210 and 220 is alternately laminated with a cooling plate 230 interposed therebetween to form a fuel cell stack. Both the separator plates 210 and 220 have the separator plates 20 and
30 and gas channels 221 are formed in the same manner as in FIG. 30, but in the present embodiment, the main surface of the separator plate 210 is arranged so that the ribs 211a contact the anode-side current collector 201 during lamination. The peripheral portion is cut by the thickness d of the seal member 206.

【0038】セル構造体CU2は、前記セル構造体CU
1と同様に作製される。即ち、中央部に電極触媒層(ア
ノード202を構成する。)が形成された集電体201
にシール部材206を冠着し、電極触媒層(カソード2
04を構成する)が形成されたカソード側集電体205
とを固体高分子膜203と触媒層が対向するように積層
し、さらに、シール部材207を集電体205の周囲に
配置して積層体を作製し、前記同様にホットプレス法な
どを施すことによって固体高分子膜のアノード周囲部分
が集電体201およびシール部材206,207に対し
て接合することによって作製される。
The cell structure CU2 is the same as the cell structure CU.
It is manufactured similarly to 1. That is, the current collector 201 having the electrode catalyst layer (constituting the anode 202) formed at the center.
A sealing member 206 is mounted on the electrode catalyst layer (cathode 2).
04) is formed on the cathode-side current collector 205.
Are laminated so that the solid polymer film 203 and the catalyst layer are opposed to each other, and a sealing member 207 is arranged around the current collector 205 to produce a laminated body, which is subjected to a hot press method or the like as described above. Thus, the solid polymer membrane is produced by joining the peripheral portion of the anode to the current collector 201 and the sealing members 206 and 207.

【0039】このようなセル構造体CU2を有した燃料
電池200においては、実施形態1の燃料電池1と同様
の効果を奏するが、アノード側とカソード側の両方にシ
ール部材206,207が配されていることによって、
水素ガスの漏出だけでなく、空気の漏出をも防止しなが
ら発電することができる点で、ガスのシール性により優
れる。
The fuel cell 200 having such a cell structure CU2 has the same effect as the fuel cell 1 of the first embodiment, but the sealing members 206 and 207 are disposed on both the anode side and the cathode side. By having
It is superior in gas sealing performance in that power can be generated while preventing not only leakage of hydrogen gas but also leakage of air.

【0040】なお、本燃料電池のようにアノード側集電
体201を固体高分子膜203と同等の大きさにして、
双方を接合させることによってガスのシール化を図る構
造において、集電体201と固体高分子膜203との接
合だけでは、通常、加圧して供給される水素ガスの漏出
は十分に防止されないと考えられる。従って、シール部
材を集電体周縁部に冠着したシール構造とし、水素ガス
の漏出を回避している。
As in the present fuel cell, the anode-side current collector 201 is made the same size as the solid polymer membrane 203,
In a structure in which a gas is sealed by joining both, it is considered that leakage of the hydrogen gas supplied under normal pressure is not sufficiently prevented by merely joining the current collector 201 and the solid polymer film 203. Can be Therefore, the sealing member has a sealing structure in which the sealing member is mounted on the periphery of the current collector, thereby preventing leakage of hydrogen gas.

【0041】〔実施の形態3〕本実施形態では、本発明
に係る乾電池タイプで二次電池的な使用が可能な小型の
燃料電池について図を用いながら詳細に説明する。図5
は、燃料電池300の組立図であり、図6はそのZ−Z
線矢視断面図である。
[Embodiment 3] In this embodiment, a small fuel cell of the dry battery type according to the present invention which can be used as a secondary battery will be described in detail with reference to the drawings. FIG.
FIG. 6 is an assembly view of the fuel cell 300, and FIG.
FIG.

【0042】燃料電池300は、固体高分子膜301の
両主表面の中央部に相当する位置に、カソード302
と、アノード303とを積層し、前記アノード303お
よびカソード302に対向接触するように第2カソード
集電体304および第2アノード集電体305を介在さ
せながら、第1カソード集電体306および第1アノー
ド集電体307で挟持された積層体からなり、各部材の
接触面が融着された直方体状のセル構造体CU3が、容
器308上に載置され、圧着部材309および310で
対向側面において圧着された構成である。
The fuel cell 300 has a cathode 302 at a position corresponding to the center of both main surfaces of the solid polymer membrane 301.
And the anode 303 are stacked, and the first cathode current collector 306 and the second cathode current collector 306 are interposed with the second cathode current collector 304 and the second anode current collector 305 interposed therebetween so as to face the anode 303 and the cathode 302. 1. A rectangular parallelepiped cell structure CU3 composed of a laminate sandwiched by one anode current collector 307 and having the contact surfaces of the members fused together is placed on the container 308, and the crimping members 309 and 310 face the opposite side surfaces. Is a configuration crimped.

【0043】固体高分子膜301としては、例えば厚み
50μmで10×10cmの縦・横寸法のナフィオン膜
を用いることができる。用いる電極302および303
は、フッ素樹脂を含浸させて高温熱処理によって溌水処
理されたカーボンペーパに対して、前述したように白金
担持カーボンとPTFEの混合物をスクリーン印刷によ
って形成する方法や、白金担持カーボン,結着剤として
のPTFE,造孔剤としての炭酸カルシウムを混合,濾
過し、それを圧延してシート状に成形し、次いで1N硝
酸中に浸漬して造孔剤を除去し、多孔性の電極シートを
作製することもできる。なお、後述する実験では、後者
によって作製した電極を使用してある。
As the solid polymer film 301, for example, a Nafion film having a thickness of 50 μm and a length and width of 10 × 10 cm can be used. Electrodes 302 and 303 used
As described above, a method of forming a mixture of platinum-carrying carbon and PTFE by screen printing on carbon paper that has been impregnated with a fluororesin and subjected to a water-repellent treatment by a high-temperature heat treatment, PTFE and calcium carbonate as a pore-forming agent are mixed, filtered, rolled and formed into a sheet, and then immersed in 1N nitric acid to remove the pore-forming agent, thereby producing a porous electrode sheet. You can also. In the experiment described later, the electrode manufactured by the latter is used.

【0044】第1カソード集電体306および第1アノ
ード集電体307は、単セル(固体高分子膜よおび各電
極から構成される。)を固定する挟持部材を兼ねてお
り、固体高分子膜301と同様の縦・横寸法で、適当な
強度を有する(例えば、厚みが1mm)、PTFEなど
のフッ素樹脂等で表面が溌水処理が施されたカーボン性
の板体であり、それら中央部には各電極302および3
03並びに第2カソード集電体304および第2アノー
ド集電体305よりも少し小さめの縦・横寸法の窓30
6a並びに窓307aが開設されている。
Each of the first cathode current collector 306 and the first anode current collector 307 also serves as a holding member for fixing a single cell (comprising a solid polymer film and each electrode). A carbon plate having the same vertical and horizontal dimensions as the film 301, having appropriate strength (for example, a thickness of 1 mm), and having its surface subjected to a water-repellent treatment with a fluororesin such as PTFE. Each electrode 302 and 3
03 and the window 30 having slightly smaller vertical and horizontal dimensions than the second cathode current collector 304 and the second anode current collector 305.
6a and a window 307a are opened.

【0045】このように各窓306a並びに307aを
少しだけ小さくするのは、第2集電体304及び305
を第1集電体306及び307に接触させて集電するた
めである。第2集電体304および305は、アノード
302およびカソード303と同等の縦・横寸法を有す
るPTFEなどのフッ素樹脂で溌水処理が施されたガス
透過性のカーボンペーパである。なお、この第2集電体
304および305を設けることによって、電池の集電
性向上を図っている。
The reason why each of the windows 306a and 307a is made slightly smaller is that the second current collectors 304 and 305
Is brought into contact with the first current collectors 306 and 307 to collect current. The second current collectors 304 and 305 are gas-permeable carbon paper that has been subjected to a water-repellent treatment with a fluorine resin such as PTFE having the same vertical and horizontal dimensions as the anode 302 and the cathode 303. By providing the second current collectors 304 and 305, the current collection of the battery is improved.

【0046】以上の第1集電体306,307,第2集
電体304,305,電極302,303および固体高
分子膜301を所定の順に積層し、この積層体に対して
前述のホットプレス法の処理を施して各部材が接合した
セル構造体CU3をなす。なお、ホットプレス法に関
し、図6に示すように、第2集電体304,305の第
1集電体306,307との接触部分が押し潰されるよ
うに行うことが望ましい。これによって、ガスシール性
により優れたものとなる。ここで、第2集電体304,
305の周縁部分を、ガス拡散性を有さなくするまで押
し潰せば、ガスシール性は一層向上する。
The first current collectors 306 and 307, the second current collectors 304 and 305, the electrodes 302 and 303, and the solid polymer film 301 are laminated in a predetermined order. The cell structure CU3 in which the respective members are joined by performing the process of the method. As for the hot press method, as shown in FIG. 6, it is preferable to perform the hot press method so that the contact portions of the second current collectors 304 and 305 with the first current collectors 306 and 307 are crushed. As a result, the gas sealing property becomes more excellent. Here, the second current collector 304,
If the peripheral portion of 305 is crushed until it has no gas diffusion property, the gas sealing property is further improved.

【0047】セル構造体CU3作製はこれに限られるも
のではなく、まず、固体高分子膜301に対して、アノ
ード303およびカソード302をホットプレスによっ
て圧着し、次に、固体高分子膜301と第1集電体30
6および307の間にナフィオン等のフッ素樹脂溶液を
塗布し、これをさらに同様に熱処理することによって、
各部材をより確実に融着させたり、導電性に優れる例え
ばカーボン粉末とフッ素樹脂の混合ペーストを前記塗布
剤として用いて、集電性能の向上を図ることもできる。
The fabrication of the cell structure CU3 is not limited to this. First, the anode 303 and the cathode 302 are pressure-bonded to the solid polymer film 301 by hot pressing. 1 current collector 30
By applying a fluororesin solution such as Nafion between 6 and 307 and subjecting it to a similar heat treatment,
The current collecting performance can also be improved by more reliably fusing each member or using a mixed paste of, for example, carbon powder and a fluororesin having excellent conductivity as the coating agent.

【0048】次に、容器308は、内部に水素を貯蔵す
る空間、即ち水素ガス貯蔵室が穿設された四角柱状の成
形体であって、その器壁上面は、固体高分子膜301と
同等の寸法を有し、アノード303および第2集電体3
05と略同等の縦・横寸法の水素ガス供給用の窓308
aが開設されている。容器308の器壁底部には、水素
ガスを外部から補給するための補給口308b(図6参
照)が設けられている。図6に示す補給口308bは、
容器308の器壁底面を貫通する円形孔にゴム製のパッ
キングが嵌め込まれて形成されており、外部からシリン
ジ注入により水素ガスを簡単に補給することができるよ
うになっている。
Next, the container 308 is a space in which hydrogen is stored, that is, a rectangular column-shaped molded body having a hydrogen gas storage chamber formed therein. The anode 303 and the second current collector 3
Window 308 for supplying hydrogen gas with the same vertical and horizontal dimensions as 05
a has been established. At the bottom of the container wall of the container 308, a supply port 308b (see FIG. 6) for supplying hydrogen gas from the outside is provided. The supply port 308b shown in FIG.
A rubber packing is formed in a circular hole penetrating the bottom surface of the container wall of the container 308, so that hydrogen gas can be easily supplied from the outside by syringe injection.

【0049】補給口308bは、この他に、小型の逆止
弁(タイヤのチューブに用いられるもの。)や開閉バル
ブを取り付けて構成することもできる。容器308の器
壁並びに圧着部材309,310は、セル構造体CU3
を挟んで固定するのに適した強度を有する絶縁性板によ
って形成されており、その絶縁性板の具体例としては、
樹脂板,セラミックス板あるいは非導電性物質で被覆し
た金属板等を挙げることができる。
The supply port 308b can also be configured by attaching a small check valve (used for a tire tube) or an opening / closing valve. The container wall of the container 308 and the crimping members 309 and 310 are formed by the cell structure CU3.
Is formed by an insulating plate having a strength suitable for fixing with sandwiching, and as a specific example of the insulating plate,
Examples thereof include a resin plate, a ceramic plate, and a metal plate coated with a non-conductive substance.

【0050】圧着部材309,310は、積層体におけ
る別の対向する側面を覆う断面コ字形であって、積層体
を圧着して固定できるような強度を持つ弾性部材であ
る。また、第1集電体306と集電体307との短絡が
生じないよう、圧着部材309,310は、樹脂或セラ
ミックス等の絶縁性材料で形成するか、金属板で形成す
る場合も、表面に絶縁物を配しておくことが望ましい。
The crimping members 309 and 310 are U-shaped in cross section that cover another opposing side surface of the laminate, and are elastic members having such strength that the laminate can be crimped and fixed. In order to prevent a short circuit between the first current collector 306 and the current collector 307, the pressure-bonding members 309 and 310 may be formed of an insulating material such as resin or ceramics or a metal plate. It is desirable to place an insulator on the surface.

【0051】このような構成の燃料電池300にあって
は、前述したように、確実に、ガスのシール性能を向上
させるという効果を奏するものである。すなわち、第1
集電体306および307双方の周縁部分と、固体高分
子膜301の電極周囲の周縁部分略全面とが接合されい
ることにより、前述同様に耐久性に優れたガスシール構
造を確実に実現している。
In the fuel cell 300 having such a configuration, as described above, the effect of reliably improving the gas sealing performance can be obtained. That is, the first
Since the peripheral portions of both the current collectors 306 and 307 and the substantially entire peripheral portion around the electrodes of the solid polymer film 301 are joined, a gas seal structure having excellent durability as described above is reliably realized. I have.

【0052】なお、第2集電体を電極より大きめで固体
高分子膜と同じ縦・横寸法とすれば、一層、その確実性
は向上する。また、本燃料電池でさらに特徴的な点は、
テフロンシート等の樹脂性のシール部材を配すことなく
シール構造を実現している点である。これによって、シ
ール部材中の有機物が発電中に溶出し、これが固体高分
子膜のイオン伝導性に与える悪影響を回避することがで
きるといった効果をも奏する。
If the second current collector is larger than the electrodes and has the same vertical and horizontal dimensions as the solid polymer film, the reliability is further improved. Another characteristic of this fuel cell is that
The point is that a sealing structure is realized without disposing a resin sealing member such as a Teflon sheet. As a result, an organic substance in the seal member is eluted during power generation, and an effect of preventing the organic substance from adversely affecting the ionic conductivity of the solid polymer membrane can be avoided.

【0053】〔実験1〕実施の形態3に基づいて、以下
の各部材を用い、圧力や接合形態等のシール条件を表1
に示すように変化させて試験電池A〜Hを作製した。 (使用する各部材) 固体高分子膜;Nafion,5cm×8cm,厚み5
0μm 電極;2.3cm×2.8cm,厚み50μm,触媒層
は白金担持カーボンからなる。
[Experiment 1] Based on Embodiment 3, using the following members, the sealing conditions such as the pressure and the joining form are shown in Table 1.
The test batteries A to H were manufactured by changing as shown in FIG. (Each member used) Solid polymer membrane; Nafion, 5 cm × 8 cm, thickness 5
0 μm electrode; 2.3 cm × 2.8 cm, thickness 50 μm, catalyst layer is made of platinum-supported carbon.

【0054】第2集電体;2.3cm×2.8cm,厚
み200μm 第1集電体;5cm×8cm,厚み1mm, アノード側の集電体には、中央部に2cm×2.5cm
の窓を開設したもの これらを部材を積層し、表1に示す条件でホットプレス
して各部材が接合されたセル構造体A〜Hを作製した。
Second current collector; 2.3 cm × 2.8 cm, thickness 200 μm First current collector; 5 cm × 8 cm, thickness 1 mm, 2 cm × 2.5 cm in the center of the anode-side current collector
These members were laminated, and hot-pressed under the conditions shown in Table 1 to produce cell structures A to H in which the respective members were joined.

【0055】[0055]

【表1】 [Table 1]

【0056】このセル構造体A〜Hを、注入バルブを有
するガス注入配管が側壁に対して挿設され、上面中央部
に2cm×2.5cm縦・横寸法の窓が開設された容器
上に載置し、これを対向側面で圧着部材によって締付固
定して、図7(図7(a)は、電池全体の垂直断面図で
あり、図7(b)は、上面図である。)に示すような試
験電池A〜Hを作製した。
The cell structures A to H are placed on a container in which a gas injection pipe having an injection valve is inserted into a side wall and a window of 2 cm × 2.5 cm length and width is opened at the center of the upper surface. The battery is placed, and it is fastened and fixed on the opposing side by a crimping member. FIG. 7 (FIG. 7 (a) is a vertical sectional view of the entire battery, and FIG. 7 (b) is a top view). Test batteries A to H as shown in Table 1 were prepared.

【0057】なお、この試験電池A〜Hでは、カソード
側の集電体には、空気導入用の窓が開設されていない
が、これは、シール構造のガスの密閉性を評価するため
にこのような構成にしてある。比較例の電池Iは、固体
高分子膜の表裏面に電極を形成した単セルを、第1集電
体と固体高分子膜の間に所定の厚みを有する枠体状のテ
フロンシートを介在させて、水素ガス貯蔵用の容器とも
ども圧着部材で挟持して作製した。ここで、各部材の素
材や寸法などは、すべて試験電池A〜Hと同じものを用
いている。
In the test batteries A to H, the current collector on the cathode side is not provided with a window for introducing air, but this is used to evaluate the gas tightness of the seal structure. It has such a configuration. Battery I of the comparative example is a single cell in which electrodes are formed on the front and back surfaces of a solid polymer film, and a frame-shaped Teflon sheet having a predetermined thickness is interposed between the first current collector and the solid polymer film. Then, it was manufactured by sandwiching it together with a container for storing hydrogen gas with a pressure bonding member. Here, the materials and dimensions of each member are the same as those of the test batteries A to H.

【0058】以上のようにして作製した電池A〜Iにつ
いて、封入された水素ガスのシール性能について評価し
た。前記ガス注入管入口に圧力計を設置し、初期リーク
量と保存後リーク量とを測定した。初期リーク量の測定
は、電池組立直後に行い、測定開始から3時間経過後の
容器内の水素ガス圧の変化量を初期リーク量とした。
With respect to the batteries A to I produced as described above, the sealing performance of the sealed hydrogen gas was evaluated. A pressure gauge was installed at the gas injection pipe inlet, and the initial leak amount and the leak amount after storage were measured. The initial leak amount was measured immediately after the battery was assembled, and the amount of change in the hydrogen gas pressure in the container three hours after the start of the measurement was defined as the initial leak amount.

【0059】また、保存後リーク量の測定は、電池組立
直後から注入バルブを閉じて水素ガスが漏出しない状態
で1ヶ月保存した後に行い、前記同様にして測定開始か
ら3時間経過後の水素ガス圧の変化量をその値とした。
なお、初期の水素ガスの封入圧は、双方ともに1.2a
tmに設定した。前記表1に測定の結果を示した。これ
に示すように、ホットプレスの圧力が5kg/cm2
満であると、シール性が十分に得られないことがわか
る。5kg/cm2以上では、従来のテフロンシートに
よるシール構造に対して初期性能としては変わらないも
のの、長期間保存してもシール性は劣化せず、耐久性に
優れることがわかる。
The leakage amount after storage was measured immediately after assembling the battery, after closing the injection valve and storing for one month in a state in which hydrogen gas did not leak out. The change in pressure was taken as the value.
The initial hydrogen gas filling pressure was 1.2a for both.
tm. Table 1 shows the measurement results. As shown in this figure, if the pressure of the hot press is less than 5 kg / cm 2 , it is understood that sufficient sealing properties cannot be obtained. At 5 kg / cm 2 or more, although the initial performance is the same as that of the conventional seal structure using a Teflon sheet, the sealability is not deteriorated even after long-term storage, and the durability is excellent.

【0060】〔実験2〕本実験で用いる燃料電池は、図
8に示すように、カソード側集電板のカソードに対応す
る位置に空気導入用の窓が開設され、また、前記容器の
対向側壁には、水素ガス注入管および水素ガス排出管が
挿設されている以外は、シール条件等を含め全て同じよ
うにして作製された構成の電池A´〜I´である。
[Experiment 2] In the fuel cell used in this experiment, as shown in FIG. 8, a window for introducing air was opened at a position corresponding to the cathode of the cathode-side current collector, The batteries A ′ to I ′ have the same construction except that a hydrogen gas injection pipe and a hydrogen gas discharge pipe are inserted.

【0061】この電池A´〜I´の電池組立直後におい
て、水素ガスを常に注入管から注入させながら、電流密
度200mA/cm2下で発電した場合のセル電圧mV
を測定した。この結果を表2に示す。
Immediately after assembling the batteries A ′ to I ′, the cell voltage mV when the power was generated at a current density of 200 mA / cm 2 while hydrogen gas was always injected from the injection pipe.
Was measured. Table 2 shows the results.

【0062】[0062]

【表2】 [Table 2]

【0063】これに示すように、シール時の圧力が5k
g/cm2未満では電池A´の電圧値が示すように、電
圧は低下する。これはシール性が十分でないからであ
る。また、圧力が100kg/cm2を越えると、電池
F´の電圧値が示すように、さらに電圧は低下してい
る。これは、シール時の圧力が高すぎるため、電極同士
がショートしたことによるためと考えられる。
As shown, the pressure at the time of sealing was 5 k
If it is less than g / cm 2 , the voltage decreases as indicated by the voltage value of battery A ′. This is because the sealing property is not sufficient. When the pressure exceeds 100 kg / cm 2 , the voltage further decreases as indicated by the voltage value of the battery F ′. This is probably because the pressure at the time of sealing was too high and the electrodes were short-circuited.

【0064】次に、電池G´とH´の電圧の違いは、塗
布剤にカーボンペーストを用いると、カーボンを用いな
い場合に対してセル電圧は向上することを示している。
なお、実験データは記載しないが、第2集電体を介在さ
せた場合の電圧値と、介在させない場合の電圧値とを比
較する実験を行ったところ、第2集電体を介在させた場
合の方が高い電圧を示していた。
Next, the difference between the voltages of the batteries G 'and H' indicates that when a carbon paste is used as the coating material, the cell voltage is improved as compared with the case where no carbon is used.
Although the experimental data is not described, an experiment was performed to compare the voltage value when the second current collector was interposed with the voltage value when the second current collector was not interposed. Showed a higher voltage.

【0065】〔その他の事項〕 (1) 前記実施の形態1および2では、ガスシール性
の優れた内部マニホールド方式の場合について説明した
が、これに限定されないのは言うまでもなく、外部マニ
ホールドを用いた電池構成であっても、同様に実施可能
である。 (2) 実施の形態3において、第1集電体は集電とセ
ル挟持を兼ねるものであったが、これに限定されず、第
1集電体と挟持部材とを別体としても同様に実施可能で
ある。なお、実施の形態3における第1集電体のように
一体のものとすれば、電池構成部材を少なくすることが
できるといった利点がある。
[Other Matters] (1) In the first and second embodiments, the case of the internal manifold system having excellent gas sealing properties has been described. However, it is needless to say that the present invention is not limited to this. The present invention can be similarly applied to a battery configuration. (2) In the third embodiment, the first current collector serves as both the current collector and the cell sandwiching unit. However, the present invention is not limited to this, and the first current collector and the sandwiching member may be separately provided. It is feasible. Note that there is an advantage that the number of battery constituent members can be reduced if they are integrated as in the first current collector in the third embodiment.

【0066】(3) 実施の形態3の燃料電池におい
て、水素貯蔵用の空間を要した容器上にセル構造体CU
3を載置した二次電池仕様のものについて言及したが、
セル構造体CU3を行列状に配列し、これに水素ガス供
給マニホールドを取り付けた構成のものでも同様に実施
可能である。 (4) 前記各セル構造体CU1〜3において、融着は
構成部材のフッ素樹脂によるものであったが、固体高分
子膜と集電体の融着に関し、溌水処理していないカーボ
ンペーパに直接ホットプレス法等を施して、いわゆる焼
き付かせてもよい。なお、この場合にも、固体高分子膜
が分解しない程度にする必要はある。
(3) In the fuel cell according to the third embodiment, the cell structure CU is placed on a container that requires a space for storing hydrogen.
3 has been mentioned about the secondary battery specification,
The cell structure CU3 may be arranged in a matrix and a hydrogen gas supply manifold may be attached to the cell structure CU3. (4) In each of the cell structures CU1 to CU3, the fusion was performed by the fluorocarbon resin of the constituent member. A so-called baking may be performed by directly applying a hot press method or the like. In this case as well, it is necessary that the solid polymer film does not decompose.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば本発明は、カソード側集電体と、カソードと、固体高
分子膜と、アノードと、アノード側集電体とを配した固
体高分子型燃料電池において、前記固体高分子膜の主表
面、略中央部にアノードおよびカソードが位置し、アノ
ード側集電体およびカソード側集電体の少なくとも一方
が、隣接する電極よりも大きく、固体高分子膜の外周部
分は、当該集電体と接合しているので、耐久性に優れた
ガスシール構造を確実に実現する。
As described above, according to the present invention, the present invention provides a solid-state battery comprising a cathode-side current collector, a cathode, a solid polymer film, an anode, and an anode-side current collector. In the polymer fuel cell, the main surface of the solid polymer membrane, the anode and the cathode are located at substantially the center, at least one of the anode-side current collector and the cathode-side current collector is larger than the adjacent electrode, Since the outer peripheral portion of the solid polymer film is bonded to the current collector, a gas seal structure with excellent durability is reliably realized.

【0068】このような固体高分子型燃料電池は、セル
構造体がセパレータ板を介在させて複数個積層された比
較的大型のものから、セル構造体一つのみを配した乾電
池型のものまで、その形態は様々なものにおいて適用可
能である。
Such polymer electrolyte fuel cells range from relatively large ones in which a plurality of cell structures are stacked with a separator plate interposed to dry cell type fuel cells in which only one cell structure is provided. The form can be applied to various things.

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

【図1】実施の形態1に係る固体高分子型燃料電池の要
部組立図である。
FIG. 1 is a main part assembly diagram of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1.

【図2】図1における組立後の固体高分子型燃料電池の
断面図である。
FIG. 2 is a sectional view of the polymer electrolyte fuel cell after assembly in FIG.

【図3】別な実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の
要部組立図である。
FIG. 3 is a main part assembly diagram of a polymer electrolyte fuel cell according to another embodiment.

【図4】図3における組立後の固体高分子型燃料電池の
断面図である。
FIG. 4 is a sectional view of the polymer electrolyte fuel cell after assembly in FIG. 3;

【図5】さらに、別な実施の形態に係る固体高分子型燃
料電池の組立図である。
FIG. 5 is an assembly view of a polymer electrolyte fuel cell according to another embodiment.

【図6】図5における組立後の固体高分子型燃料電池の
断面図である。
6 is a cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell after assembly in FIG.

【図7】実験に用いる固体高分子型燃料電池の断面図お
よび正面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view and a front view of a polymer electrolyte fuel cell used in an experiment.

【図8】別な実験に用いる固体高分子型燃料電池の断面
図および正面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view and a front view of a polymer electrolyte fuel cell used in another experiment.

【図9】従来の固体高分子型燃料電池の要部構成図であ
る。
FIG. 9 is a configuration diagram of a main part of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【図10】別な従来の固体高分子型燃料電池の要部構成
図および断面拡大図である。
FIG. 10 is a main part configuration diagram and a cross-sectional enlarged view of another conventional polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子型燃料電池 11 固体高分子膜 12 アノード 13 カソード 20,30 セパレータ板 40,41 集電体 50 シール部材 200 固体高分子型燃料電池 201,205 集電体 202 アノード 203 固体高分子膜 204 カソード 206,207 シール部材 210,220 セパレータ板 300 固体高分子型燃料電池 301 固体高分子膜 302 カソード 303 アノード 304,305 第2集電体 306,307 第1集電体 308 容器 309,310 圧着部材 REFERENCE SIGNS LIST 1 solid polymer fuel cell 11 solid polymer membrane 12 anode 13 cathode 20, 30 separator plate 40, 41 current collector 50 sealing member 200 solid polymer fuel cell 201, 205 current collector 202 anode 203 solid polymer membrane 204 Cathode 206, 207 Sealing member 210, 220 Separator plate 300 Solid polymer fuel cell 301 Solid polymer membrane 302 Cathode 303 Anode 304, 305 Second current collector 306, 307 First current collector 308 Container 309, 310 Crimping Element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 実 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 濱田 陽 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Minoru Kaneko 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Yo-Hama 2--5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka No. 5 Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Yasuo Miyake 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カソード側集電体と、カソードと、固体
高分子膜と、アノードと、アノード側集電体とを配した
固体高分子型燃料電池において、 前記固体高分子膜の主表面、略中央部にアノードおよび
カソードが位置し、アノード側集電体およびカソード側
集電体の少なくとも一方は、隣接する電極よりも大き
く、 固体高分子膜の外周部分は、当該集電体と接合している
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
1. A polymer electrolyte fuel cell including a cathode-side current collector, a cathode, a solid polymer membrane, an anode, and an anode-side current collector, wherein: a main surface of the solid polymer membrane; An anode and a cathode are located at substantially the center, at least one of the anode-side current collector and the cathode-side current collector is larger than an adjacent electrode, and an outer peripheral portion of the solid polymer film is bonded to the current collector. A polymer electrolyte fuel cell.
【請求項2】 前記アノード側集電体およびカソード側
集電体の一方は固体高分子膜よりも小さく、当該集電体
の周縁部には、シール部材が固体高分子膜に対して接合
した状態で配置されていることを特徴とする請求項1記
載の固体高分子型燃料電池。
2. One of the anode-side current collector and the cathode-side current collector is smaller than a solid polymer film, and a sealing member is joined to the solid polymer film at a peripheral portion of the current collector. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cells are arranged in a state.
【請求項3】 更に、前記大きい方の集電体の周縁部に
は、シール部材が嵌め込まれ、当該シール部材は、固体
高分子膜と接合していることを特徴とする請求項2記載
の固体高分子型燃料電池。
3. The sealing device according to claim 2, wherein a sealing member is fitted into a periphery of the larger current collector, and the sealing member is joined to the solid polymer film. Solid polymer fuel cell.
【請求項4】 アノードとカソードが固体高分子膜の主
表面に互いに対向する位置に配されてなるセルと、固体
高分子膜と略同等の大きさで、その略中央部に窓が開設
された第1アノード側集電体と第1カソード側集電体と
が、前記窓が各電極に対向するようにして挟持されてい
ることを特徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電
池。
4. A cell in which an anode and a cathode are arranged at positions opposing each other on a main surface of a solid polymer membrane, and a window having a size substantially equal to that of the solid polymer membrane and opened at a substantially central portion thereof. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the first anode-side current collector and the first cathode-side current collector are sandwiched such that the window faces each electrode. .
【請求項5】 前記第1アノード集電体とアノード間お
よび前記第1カソード集電体とカソードとの間の少なく
とも一方には、ガス透過性の第2集電体が介在されてい
ることを特徴とする請求項4記載の固体高分子型燃料電
池。
5. A gas-permeable second current collector is interposed between at least one of the first anode current collector and the anode and between at least one of the first cathode current collector and the cathode. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, characterized in that:
【請求項6】 前記第1アノード側集電体および第1カ
ソード側集電体は、セルを挟持する挟持部材を兼ねてい
ることを特徴とする請求項4又は5の何れかに記載の固
体高分子型燃料電池。
6. The solid according to claim 4, wherein the first anode-side current collector and the first cathode-side current collector also serve as a holding member for holding a cell. Polymer fuel cell.
【請求項7】 アノード、固体高分子膜およびカソード
と、アノード側集電体およびカソード側集電体の少なく
とも一方とが融着により一体化したセル構造体を作製す
る第1のステップと、 当該第1のステップで得られる前記セル構造体を一対の
押え部材で挟持して積層体を作製する第2のステップ
と、 を備えていることを特徴とする固体高分子型燃料電池の
製造方法。
7. A first step of producing a cell structure in which an anode, a solid polymer membrane, and a cathode and at least one of an anode-side current collector and a cathode-side current collector are integrated by fusion. A second step of producing a laminate by sandwiching the cell structure obtained in the first step with a pair of pressing members; and a second method of producing a polymer electrolyte fuel cell.
【請求項8】 前記第1のステップでは、ホットプレス
法によって融着することを特徴とする請求項7記載の固
体高分子型燃料電池の製造方法。
8. The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein in the first step, fusion is performed by a hot press method.
【請求項9】 前記第1のステップでは、ホットプレス
法による融着条件を、温度を固体高分子膜のガラス転移
温度以上で固体高分子膜の分解温度未満とし、圧力を5
kg/cm2以上で100kg/cm2以下とすることを
特徴とする請求項8記載の固体高分子型燃料電池の製造
方法。
9. In the first step, the fusing conditions by the hot press method are set such that the temperature is equal to or higher than the glass transition temperature of the solid polymer film and lower than the decomposition temperature of the solid polymer film, and the pressure is set at 5 ° C.
9. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 8, wherein the pressure is not less than kg / cm 2 and not more than 100 kg / cm 2 .
【請求項10】 前記第1のステップは、接着剤を集電
体と固体高分子膜と接触面に塗布するサブステップを備
えることを特徴とする請求項8又は9の何れかに記載の
固体高分子型燃料電池の製造方法。
10. The solid according to claim 8, wherein the first step includes a sub-step of applying an adhesive to a contact surface between the current collector and the solid polymer film. A method for producing a polymer fuel cell.
【請求項11】 前記接着剤には、導電性粉末が添加さ
れていることを特徴とする請求項10記載の固体高分子
型燃料電池の製造方法。
11. The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, wherein a conductive powder is added to the adhesive.
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