JP2014179252A - Fuel cell and process of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】シールをセパレータへ一体成形する場合におけるセパレータ段差起因によるガス回り込み防止し、発電性能を一層向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜11の厚さ方向から見てその外縁が枠体20の内縁よりも外側に位置するように、触媒層13及び枠体上に設けられたガス拡散層14を備える燃料電池において、セパレータ30,40の段差の側面15に第1シール部材18を設けることで、セパレータの段差の側面とガス拡散層との間に隙間を生じないようにする。
【選択図】図3The present invention provides a fuel cell capable of preventing gas from flowing around due to a separator step when integrally forming a seal on a separator and further improving power generation performance.
A polymer electrolyte membrane (11) includes a catalyst layer (13) and a gas diffusion layer (14) provided on the frame so that an outer edge of the polymer electrolyte membrane (11) is located outside an inner edge of the frame (20) when viewed from the thickness direction. In the fuel cell, the first seal member 18 is provided on the side surface 15 of the step of the separators 30 and 40 so that no gap is generated between the side surface of the step of the separator and the gas diffusion layer.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell used as a drive source for a mobile object such as an automobile, a distributed power generation system, and a household cogeneration system.
燃料電池(例えば、高分子電解質形燃料電池)は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。 BACKGROUND ART A fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell) is an apparatus that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is.
従来、この種の燃料電池としては、例えば、特許文献1(特開2004−47230号公報)に記載されたものが知られている。 Conventionally, as this type of fuel cell, for example, one described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-47230) is known.
図10に示すように、特許文献1の燃料電池は、膜電極接合体101(以下、MEA:Membrane−Electrode−Assemblyという)を一対の板状の導電性のセパレータ102,102で挟んで構成されている。
As shown in FIG. 10, the fuel cell of
MEA101は、高分子電解質膜111と、当該電解質膜111の両面に形成された一対の電極層112,112とで構成されている。電極層112は、高分子電解質膜111の表面に形成された触媒層113と、当該触媒層113上に形成されたガス拡散層114とで構成されている。
The
MEA101は、ハンドリング性の向上のため、その周縁部(外周領域ともいう)を額縁状に形成された枠体115で保持されている。枠体115の内縁部は、触媒層113とガス拡散層114との間に位置している。言い換えれば、ガス拡散層114は、枠体115上に乗り上げるように構成されている。なお、ここでは、枠体115を備えるMEA101を電極−膜−枠接合体103という。
The MEA 101 is held by a
セパレータ102には、反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)が供給される反応ガス流路121が形成されている。一方のセパレータ102の反応ガス流路121に燃料ガスが供給されるとともに、他方のセパレータ102の反応ガス流路121に酸化剤ガスが供給されることにより、MEA101内で電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
The
セパレータ102の枠体115と対向する位置には、反応ガスの外部への漏出を遮断又は抑制するため、樹脂製のシール部材122が設けられている。
A
特許文献1のような従来の燃料電池においては、発電性能を一層向上させるという観点において、未だ改善の余地があった。
従って、本発明の目的は、発電性能を一層向上させることができる燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
In the conventional fuel cell such as
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a method for manufacturing the same that can further improve power generation performance.
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられ、発電を行う領域である発電領域と、前記発電領域よりも外側の領域である発電領域以外の領域とを有するセパレータと、
を備え、
前記発電領域と発電領域以外の領域との境界には段差が設けられ、
前記段差の側面には、前記段差の側面と前記ガス拡散層との間に形成される隙間を埋める第1シール部材が設けられている、
燃料電池を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to the present invention,
A polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane;
A frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane;
A gas diffusion layer provided on the catalyst layer and the frame body such that the outer edge thereof is located outside the inner edge of the frame body as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane;
A separator that is provided on the gas diffusion layer and has a power generation region that generates power, and a region other than the power generation region that is an area outside the power generation region;
With
A step is provided at the boundary between the power generation region and the region other than the power generation region,
A side surface of the step is provided with a first seal member that fills a gap formed between the side surface of the step and the gas diffusion layer.
A fuel cell is provided.
また、本発明によれば、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
を備える電極−膜−枠接合体を用意し、
発電を行う領域である発電領域と、前記発電領域よりも外側の領域である発電領域以外の領域とが段差により区画され、前記段差の側面にシール部材が設けられた、セパレータを用意し、
前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する、
ことを含む、燃料電池の製造方法を提供する。
Moreover, according to the present invention,
A polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane; a frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane;
A gas diffusion layer provided on the catalyst layer and the frame body such that the outer edge thereof is located outside the inner edge of the frame body as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane;
An electrode-membrane-frame assembly comprising:
A power generation region, which is a region where power generation is performed, and a region other than the power generation region, which is a region outside the power generation region, are partitioned by a step, and a separator provided with a seal member on a side surface of the step is prepared.
Fastening the electrode-membrane-frame assembly and the separator;
The manufacturing method of a fuel cell including this is provided.
本発明にかかる燃料電池及びその製造方法によれば、発電性能を一層向上させることができるという効果を奏する。 According to the fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention, there is an effect that the power generation performance can be further improved.
(本発明の基礎となった知見)
従来の燃料電池は、図10に示す状態から、電極−膜−枠接合体103を一対のセパレータ102,102で挟んで締結することにより製造される。燃料電池の各部品は、ガス拡散層114の外縁114aとシール部材122の内縁122aとが隙間無く接触するように設計されている。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
A conventional fuel cell is manufactured by sandwiching an electrode-membrane-
しかしながら、従来の燃料電池を量産すると、締結時の置きズレや公差(±0.5mm程度)により、ガス拡散層114の外縁114aとシール部材122の内縁122aとの間に隙間が生じることが起こり得る。外縁114aと内縁122aとの間に隙間が生じると、燃料電池の内部に供給された反応ガスが、反応ガス流路121を通らず、当該隙間を通じて燃料電池の外部に排出されてしまうことが起こり得る。以下、この現象をガスの回り込み現象という。この回り込み現象が発生すると、反応ガスの利用効率が低下し、燃料電池の発電性能が低下することになる。
However, when a conventional fuel cell is mass-produced, a gap may occur between the
ガスの回り込み現象を抑える方法として、シール部材122の体積を大きくすることが考えられる。この場合、締結時にシール部材122が圧縮されて弾性変形することで、前記隙間を埋められると考えられる。しかしながら、この場合、シール部材122の体積を大きくするので、当然ながらその分、コストアップにつながる。
As a method of suppressing the gas wraparound phenomenon, it is conceivable to increase the volume of the
そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、シール部材122とガス拡散層114の少なくともいずれか一方が他方により厚さ方向に押し潰されるようにすることで、前記置きズレや公差が生じても、シール部材122の体積を大きくすることなく、当該押し潰されて変形した部分で前記隙間を埋めることができることを見出した。この知見に基づき、本発明者らは、以下の燃料電池を検討した。
Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have caused the above-described misalignment and tolerance by causing at least one of the
図1は、検討段階の燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図である。図1に示すように検討段階の燃料電池は、
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられたセパレータと、
前記セパレータと前記枠体の両方に接触するように設けられた樹脂製の第2シール部材と、を備え、
前記第2シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the basic structure of a fuel cell at the examination stage. As shown in FIG. 1, the fuel cell under study is
A polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane;
A frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane;
A gas diffusion layer provided on the catalyst layer and the frame body such that the outer edge thereof is located outside the inner edge of the frame body as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane;
A separator provided on the gas diffusion layer;
A resin-made second seal member provided so as to come into contact with both the separator and the frame,
At least one of the outer peripheral portions of the second seal member and the gas diffusion layer is crushed in the thickness direction by the other.
また、検討段階の燃料電池のセパレータ30,40は、発電を行う領域である発電領域16と、前記発電領域16よりも外側の領域である発電領域以外の領域17とを有し、発電領域16と発電領域以外の領域17との境界には段差が設けられている。なお、本明細書において発電領域とは、セパレータにおける領域を意味し、高分子電解質膜の厚み方向から見た場合に、ガス流路が設けられている領域と重なる領域を意味する。
In addition, the
検討段階の燃料電池において、第2シール部材21は、ガス拡散層14の外周部分14bと接触し、当該外周部分14bを高分子電解質膜11の厚さ方向に押し潰すように設けられている。これにより、第2シール部材21とガス拡散層14との間には、隙間が生じないようになっている。
In the fuel cell at the examination stage, the
本検討段階の燃料電池によれば、第2シール部材21が、枠体20と接触するとともに、ガス拡散層14の外周部分14bを高分子電解質膜11の厚さ方向に押し潰すように設けられている。これにより、第2シール部材21とガス拡散層14との隙間を無くすことができ、ガスの回り込み現象を抑えて、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。さらに、高分子電解質膜11の厚さ方向から見て、触媒層13と重ならない部分であるガス拡散層14の外周部分14bを押し潰すことができる。そのため、ガス拡散層14の外周部分14bを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層13に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層14の外周部分14bを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。
According to the fuel cell in the present examination stage, the
ところが、検討段階の燃料電池は、発電性能を一層向上させるという観点において、未だ改善の余地があることを見出した。検討段階の燃料電池を量産すると、締結時の置きズレや公差(±0.5mm程度)により、セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との間に隙間が生じることが起こり得る。セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との間に隙間が生じると、この隙間を通じたガスの回り込み現象が生じる。この回り込み現象が発生すると、反応ガスの利用効率が低下し、燃料電池の発電性能が低下することになる。
However, it has been found that the fuel cell in the examination stage still has room for improvement in terms of further improving the power generation performance. When mass production of the fuel cell at the examination stage, a gap may occur between the
そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との間に第1シール部材18を設けることで、前記置きズレや公差が生じても、第1シール部材18により、前記隙間を埋めることができることを見出した。この知見に基づき、本発明者らは、以下の発明に至った。
Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have provided the
本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、前記ガス拡散層上に設けられ、発電を行う領域である発電領域と、前記発電領域よりも外側の領域である発電領域以外の領域とを有するセパレータと、を備え、前記発電領域と発電領域以外の領域との境界には段差が設けられ、前記段差の側面には、前記段差の側面と前記ガス拡散層との間に形成される隙間を埋める第1シール部材が設けられている、燃料電池を提供する。 According to the first aspect of the present invention, a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane, a frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane, and the polymer The catalyst layer and the gas diffusion layer provided on the frame body, and the gas diffusion layer provided on the gas diffusion layer so that the outer edge thereof is located outside the inner edge of the frame body when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. And a separator having a power generation region that is a region where power generation is performed and a region other than the power generation region that is an area outside the power generation region, and a boundary between the power generation region and the region other than the power generation region A fuel cell is provided in which a step is provided, and a first seal member is provided on a side surface of the step to fill a gap formed between the side surface of the step and the gas diffusion layer.
本発明の第2態様によれば、さらに、前記セパレータと前記枠体の両方に接触するように設けられた樹脂製の第2シール部材、を備え、前記第2シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されている、第1態様に記載の燃料電池を提供する。 According to the second aspect of the present invention, it further comprises a resin-made second seal member provided so as to be in contact with both the separator and the frame body, and the second seal member and the gas diffusion layer. The fuel cell according to the first aspect, wherein at least one of the outer peripheral portions is crushed by the other in the thickness direction.
本発明の第3態様によれば、前記シール部材と前記ガス拡散層の外周部分との接触圧力は、前記シール部材と前記枠体との接触圧力よりも小さい、第2態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a third aspect of the present invention, the fuel cell according to the second aspect, wherein the contact pressure between the seal member and the outer peripheral portion of the gas diffusion layer is smaller than the contact pressure between the seal member and the frame. I will provide a.
本発明の第4態様によれば、前記シール部材と前記ガス拡散層の両方が押し潰されている、第2又は3態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the second or third aspect, wherein both the sealing member and the gas diffusion layer are crushed.
本発明の第5態様によれば、前記シール部材は、前記セパレータの表面に形成されている、第1〜4のいずれか1つ態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, wherein the seal member is formed on a surface of the separator.
本発明の第6態様によれば、前記シール部材は、射出成形により前記セパレータの表面に形成されている、第5態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the fifth aspect, wherein the seal member is formed on the surface of the separator by injection molding.
本発明の第7態様によれば、前記セパレータと前記枠体との間に設けられた環状で樹脂製の第3シール部材を備え、前記第2シール部材は、前記ガス拡散層の外縁に対して隙間を空けて配置され、前記シール部材は、前記隙間の一部を塞ぐように設けられている、第5態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an annular resin-made third seal member provided between the separator and the frame body, and the second seal member is formed with respect to an outer edge of the gas diffusion layer. A fuel cell according to a fifth aspect is provided, wherein the fuel cell is disposed with a gap therebetween, and the seal member is provided so as to close a part of the gap.
本発明の第8態様によれば、前記シール部材と前記第2シール部材と前記第3シール部材とは、一体に構成されている、第7態様に記載の燃料電池を提供する。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the seventh aspect, wherein the seal member, the second seal member, and the third seal member are integrally formed.
本発明の第9態様によれば、前記シール部材と前記第2シール部材と前記第3シール部材とは同一の樹脂材料により構成されている、第8態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell according to the eighth aspect, wherein the seal member, the second seal member, and the third seal member are made of the same resin material.
本発明の第10態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、第1〜9のいずれか1つ態様に記載の燃料電池を提供する。 According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. A fuel cell is provided.
本発明の第11態様によれば、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、を備える電極−膜−枠接合体を用意し、発電を行う領域である発電領域と、前記発電領域よりも外側の領域である発電領域以外の領域とが段差により区画され、前記段差の側面にシール部材が設けられた、セパレータを用意し、前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する、ことを含む、燃料電池の製造方法。 According to an eleventh aspect of the present invention, a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane, a frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane, and the polymer An electrode-membrane-frame comprising: the catalyst layer and a gas diffusion layer provided on the frame body such that an outer edge thereof is located outside an inner edge of the frame body as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. A joined body is prepared, and a power generation region that is a region where power generation is performed and a region other than the power generation region that is an area outside the power generation region are partitioned by a step, and a seal member is provided on a side surface of the step, A method for producing a fuel cell, comprising preparing a separator and fastening the electrode-membrane-frame assembly to the separator.
本発明の第12態様によれば、前記シール部材は、射出成形により前記セパレータの表面に形成されている、第10態様に記載の燃料電池の製造方法を提供する。
本発明の第13態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成されている、第11又は12態様に記載の燃料電池の製造方法を提供する。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell manufacturing method according to the tenth aspect, wherein the seal member is formed on the surface of the separator by injection molding.
According to a thirteenth aspect of the present invention, the gas diffusion layer is made of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and the fuel cell according to the eleventh or twelfth aspect is manufactured. Provide a method.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all of the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
《第1実施形態》
本発明の第1実施形態にかかる燃料電池について説明する。図2は、本発明の第1実施形態にかかる燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図であり、図3は、その一部拡大断面図である。
<< First Embodiment >>
A fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a sectional view schematically showing the basic structure of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a partially enlarged sectional view thereof.
本第1実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は、高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。 The fuel cell according to the first embodiment includes a polymer electrolyte that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. This is a fuel cell. The present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, but can be applied to various fuel cells.
図2に示すように、本第1実施形態にかかる燃料電池1は、電極−膜−枠接合体2と、電極−膜−枠接合体2を挟んで配置される一対のセパレータ30,40とを備えている。電極−膜−枠接合体2は、MEA(膜電極接合体)10と、MEA10の外周領域(周縁部)上に設けられた額縁状の枠体20とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
MEA10は、高分子電解質膜11と、当該高分子電解質膜11の両面に形成された一対の電極層12,12とを備えている。一対の電極層12の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。電極層12は、触媒層13とガス拡散層14とを備えている。触媒層13は、高分子電解質膜11の表面に形成され、当該触媒層13上にガス拡散層14が形成されている。
The
高分子電解質膜11は、触媒層13及びガス拡散層14よりもサイズが多く、外周領域が触媒層13及びガス拡散層14からはみ出すように設けられている。この高分子電解質膜11の外周領域(周縁部)上に枠体20が設けられている。
The
枠体20の内縁20aは、触媒層13とガス拡散層14との間に位置している。言い換えれば、ガス拡散層14は、枠体20上に乗り上げるように構成されている。さらに言い換えれば、ガス拡散層14は、高分子電解質膜11の厚さ方向(図2の上下方向)から見てその外縁14aが枠体20の内縁20aよりも外側に位置するように、触媒層13及び枠体20上に設けられている。
The
セパレータ30は、一方のガス拡散層14上に設けられている。セパレータ40は、他方のガス拡散層14上に設けられている。セパレータ30,40は発電を行う領域である発電領域16と、前記発電領域16よりも外側の領域である発電領域以外の領域17とを有し、発電領域16と発電領域以外の領域17との境界には段差が設けられている。また、段差の側面15には、段差の側面15とガス拡散層14との間に形成される隙間を埋める第1シール部材18が設けられている。第1シール部材18は、環状に形成され、セパレータ30の段差の側面15とガス拡散層14の両方、又はセパレータ40の段差の側面15とガス拡散層14の両方に接触するように設けられている。これにより、セパレータ30の段差の側面15とガス拡散層14との間、又はセパレータ40の段差の側面15とガス拡散層14との間には、隙間が生じないようになっている。また、セパレータ30と枠体20との間、及びセパレータ40と枠体20との間には、それぞれ樹脂製の第2シール部材21が設けられている。
The
第2シール部材21は、環状に形成され、セパレータ30と枠体20の両方、又はセパレータ40と枠体20の両方に接触するように設けられている。第2シール部材21と枠体20との接触圧力は、燃料電池1の内部に供給された反応ガスが外部へ流れようとする圧力よりも高くなっている。これにより、反応ガスの外部への漏出が防止される。
The
また、第2シール部材21は、ガス拡散層14の外周部分14bと接触し、当該外周部分14bを高分子電解質膜11の厚さ方向に押し潰すように設けられている。これにより、第2シール部材21とガス拡散層14との間には、隙間が生じないようになっている。
The
また、第2シール部材21とガス拡散層14の外周部分14bとの接触圧力は、第2シール部材21と枠体20との接触圧力よりも小さくなっている。これにより、ガス拡散層14の外周部分14bが圧縮されることにより生じる反力により、高分子電解質膜11に孔が空いて高分子電解質膜11の耐久性や発電性能が低下するなどの不具合が発生することを回避することができる。なお、「接触圧力」とは、例えば、接触領域内での最大圧力(kg/cm2又はkg/m)をいう。
Further, the contact pressure between the
本第1実施形態にかかる燃料電池によれば、セパレータ30,40の段差の側面15に第1シール部材18が設けられている。これにより、セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との間の隙間を無くすことができる。そのため、ガス拡散層14の外周部分14bを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層13に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層14の外周部分14bを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。また、第2シール部材21が、枠体20と接触するとともに、ガス拡散層14の外周部分14bを高分子電解質膜11の厚さ方向に押し潰すように設けられている。これにより、第2シール部材21とガス拡散層14との隙間を無くすことができ、ガスの回り込み現象を抑えて、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。さらに、高分子電解質膜11の厚さ方向から見て、触媒層13と重ならない部分であるガス拡散層14の外周部分14bを押し潰すことができる。そのため、ガス拡散層14の外周部分14bを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層13に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層の外周部分14bを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。
In the fuel cell according to the first embodiment, the
次に、燃料電池1を構成する各部材についてより詳しく説明する。
Next, each member constituting the
高分子電解質膜11は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜11としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜11の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。高分子電解質膜11の形状は、特に限定されるものではないが、本第1実施形態では略矩形とする。
The
触媒層13は、好ましくは、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層13は、好ましくは、外縁13aが、高分子電解質膜11の厚さ方向から見て、第2シール部材21の中心部よりも内側に位置するように設けられる。触媒層13の外縁13aが第2シール部材21の中心部よりも外側にあると、多孔質な触媒層13の内部を通過した反応ガスが外側に抜けやすくなり、(外部リーク)ガスロスが生じる。また、触媒層13は、特に限定されるものではないが、例えば、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質部材により構成することができる。触媒層13は、導電性を有し、且つ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであればよい。触媒層13の形状は、特に限定されるものではないが、本第1実施形態では略矩形とする。触媒層13は、高分子電解質膜11の表面に触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして形成することができる。また、一般的な転写法により作製しても良い。
The
ガス拡散層14は、好ましくは、炭素繊維を基材として用いずに構成したいわゆる基材レスガス拡散層で構成される。具体的には、ガス拡散層14は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成される。ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造(いわゆる自己支持体構造)を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。
The
ガス拡散層14は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。次いで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去する。これにより、シート状のガス拡散層14を製造することができる。
The
ガス拡散層14を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状であってもよい。
Examples of the material of the conductive particles constituting the
ガス拡散層14を構成する高分子樹脂の材料としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(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体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等が挙げられる。これらの中でも、高分子樹脂の材料としてPTFEが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。PTFEの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でも、PTFEの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。なお、ガス拡散層14を構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能(保水性)も有する。
Materials for the polymer resin constituting the
また、ガス拡散層14には、上述したように、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量、界面活性剤の量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択することができる。また、界面活性剤を使用しなくてもよい。
In addition, as described above, the
なお、ガス拡散層14は、カソード電極側及びアノード電極側において同じ構造のガス拡散層を用いても、異なる構造のガス拡散層を用いてもよい。例えば、カソード電極側及びアノード電極側のいずれか一方に炭素繊維を基材としたガス拡散層を用い、いずれか他方に前述した基材レスガス拡散層を用いてもよい。
In addition, the
枠体20は、MEA10のハンドリング性の向上のために設けられる部材である。枠体20の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、枠体20の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。枠体20の形状は、特に限定されるものではないが、本第1実施形態では略矩形環状とする。
The
セパレータ30,40は、好ましくはMEA10を機械的に固定するための部材である。セパレータ30,40は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。セパレータ30,40がカーボンを含む材質で構成される場合、セパレータ30,40は、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型内に供給し、当該金型内に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成することができる。セパレータ30,40が金属を含む材質で構成される場合、セパレータ30,40は、金属プレートからなるものであってもよい。また、セパレータ30,40として、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
The
セパレータ30のガス拡散層14と接触する主面(以下、電極面ともいう)には、燃料ガス用のガス流路31が設けられている。また、セパレータ40のガス拡散層14と接触する主面(以下、電極面ともいう)には、酸化剤ガス用のガス流路41が設けられている。ガス流路31を通じて一方の電極層12に燃料ガスが供給され、ガス流路41を通じて他方の電極層12に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
A
第1シール部材18及び第2シール部材21は、好ましくは、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂で構成される。第1シール部材18及び第2シール部材21を構成する材料としては、例えば、ゴム材料や熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。第2シール部材21を構成するシール材の具体例としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、EPDM、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム、フッ素ゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは2種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、第1シール部材18及び第2シール部材21を構成するシール材として、具体的には、ポリプロピレン及びEPDMを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン8101−55等を用いることができる。第1シール部材18及び第2シール部材21の形状は、特に限定されるものではないが、本第1実施形態では略矩形環状とする。
The
次に、本第1実施形態にかかる燃料電池1の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図3に示すように、電極−膜−枠接合体2とセパレータ30,40を用意する。本第1実施形態において、第2シール部材21は、断面が半楕円形に形成されている。また第1シール部材18は、セパレータ30,40の段差の側面15の表面に形成されている。また、第2シール部材21は、セパレータ30,40の表面に形成されている。
First, as shown in FIG. 3, an electrode-membrane-
次いで、高分子電解質膜11の厚さ方向から見て、第2シール部材21の頂部21aよりも内側(図3の左側)にある内周部分21bとガス拡散層14の外周部分14bとが重なるように位置合わせする。
Next, when viewed from the thickness direction of the
次いで、電極−膜−枠接合体2と各セパレータ30,40とを締結する。この際、第1シール部材18がガス拡散層14に接触する。これにより、セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との間に隙間が発生しないようになっている。
また、電極−膜−枠接合体2と各セパレータ30,40とを締結することで、第2シール部材21の内周部分21bがガス拡散層14の外周部分14bを高分子電解質膜11の厚さ方向に押し潰すとともに、第2シール部材21の頂部21aが枠体20に接触する。このとき、ガス拡散層14の外周部分14bが変形することにより、第2シール部材21とガス拡散層14との間に隙間が発生しないようになっている。
Next, the electrode-membrane-
Further, the electrode-membrane-
以上のようにして、図3に示す燃料電池1が製造される。
As described above, the
本第1実施形態にかかる燃料電池の製造方法によれば、セパレータ30,40の段差の側面15に第1シール部材18が設けられている燃料電池を製造することができる。これにより、セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との間の隙間を無くすことができ、ガスの周り込み現象を抑えて、発電性能を一層向上させることができる。第2シール部材21が、枠体20に接触するとともに、ガス拡散層14の外周部分14bを高分子電解質膜11の厚さ方向に押し潰すように、電極−膜−枠接合体2とセパレータ30,40とを締結している。これにより、第2シール部材21とガス拡散層14との隙間を無くすことができ、ガスの回り込み現象を抑えて、発電性能を一層向上させることができる。
According to the fuel cell manufacturing method of the first embodiment, a fuel cell in which the
なお、ガス拡散層14は、前述したような、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材で構成することが好ましい。この場合、当該多孔質部材が弾性を有するので、当該多孔質部材が押し潰された際に弾性変形して、第1シール部材18及び第2シール部材21とガス拡散層14との間に隙間が発生することをより確実に防ぐことができる。
The
なお、ガス拡散層14として剛性の高い部材を用いた場合には、当該ガス拡散層14と第1シール部材18及び第2シール部材21とが接触した際に生じる反力により、第1シール部材18及び第2シール部材21やセパレータ30,40、枠体20に割れや欠けが生じるおそれがある。このため、ガス拡散層14は、剛性の低い部材で構成することが好ましい。
In addition, when a highly rigid member is used as the
また、前記では、ガス拡散層14の外周部分14bが押し潰されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。少なくとも第1シール部材18の外周部分18a、または第2シール部材21の内周部分21bのどちらか一方が押し潰されるようにし、第1シール部材18及び第2シール部材21とガス拡散層14との間に隙間が発生することを防いでもよい。この場合、ガス拡散層14として剛性の高い部材を用いることができる。また、ガス拡散層14の外周部分14bと第1シール部材18の外周部分18a及び第2シール部材21の内周部分21bの両方が押し潰されるようにしてもよい。この場合、第1シール部材18の外周部分18a及び第2シール部材21とガス拡散層14とが密着し、第2シール部材21とガス拡散層14との間に隙間が発生することをより確実に抑えることができる。また、ガス拡散層14及び第1シール部材18の外周部分18a及び第2シール部材21の材料の選択の幅を拡げることができる。
In the above description, the outer
また、第1シール部材18及び第2シール部材21は、前述したように、セパレータ30,40の表面に形成されることが好ましい。この場合、セパレータ30,40は、枠体20よりも寸法精度が高く、反りも少ないので、歩留まりが高いという利点がある。また、第1シール部材18及び第2シール部材21を射出成形によりセパレータ30,40の表面に形成する場合、セパレータ30,40は剛性が高いため、当該射出成形が容易であるという利点がある。なお、第1シール部材18及び第2シール部材21を射出成形により枠体20に形成した場合には、射出成形時に発生する熱により、高分子電解質膜11が劣化するおそれがある。この場合、発電性能が低下することになる。
Further, the
次に、図2に示す燃料電池(単電池)1を複数個直列に連結して、いわゆる燃料電池スタックとして使用する場合の構造について説明する。図5は、燃料電池1を複数個連結した燃料電池スタック3の基本構造を示す分解斜視図である。
Next, a structure when a plurality of fuel cells (unit cells) 1 shown in FIG. 2 are connected in series and used as a so-called fuel cell stack will be described. FIG. 5 is an exploded perspective view showing a basic structure of a fuel cell stack 3 in which a plurality of
複数個の燃料電池1を燃料電池スタック3として使用する場合、ガス流路31,41に反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)を供給するためには、反応ガスを供給する配管を、セパレータ30,40の枚数に対応する数に分岐し、それらの分岐先をガス流路31,41につなぐマニホールドが必要となる。
When a plurality of
このため、本第1実施形態では、図5に示すように、枠体20及び一対のセパレータ30,40にそれぞれ、燃料ガスが供給される一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔22,32,42が設けられている。また、枠体20及び一対のセパレータ30,40にはそれぞれ、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔23,33,43が設けられている。枠体20及び一対のセパレータ30,40が燃料電池1として連結された状態では、燃料ガスマニホールド孔22,32,42が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体20及び一対のセパレータ30,40が燃料電池1として連結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔23,33,43が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。
Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, fuel gas manifold holes 22, 32, which are a pair of through holes for supplying fuel gas to the
また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、冷却媒体(例えば、純水やエチレングリコール)が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔24,34,44が設けられている。枠体20及び一対のセパレータ30,40が燃料電池1として連結された状態では、冷却媒体マニホールド孔24,34,44が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。
The
また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれの角部の近傍に4つのボルト孔50が設けられている。各ボルト孔50に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって複数個の燃料電池1が締結される。
The
ガス流路31は、一対の燃料ガスマニホールド32,32間を結ぶように設けられている。ガス流路41は、一対の酸化剤ガスマニホールド43,43間を結ぶように設けられている。なお、図5では、ガス流路31,41をサーペンタイン型の流路として示したが、その他の形態(例えば直線型)の流路であってもよい。
The
また、セパレータ30の電極面とは反対側の主面及びセパレータ40の電極面とは反対側の主面には、図示していないが、好ましくは、それぞれ冷却媒体流路が形成される。冷却媒体流路は、二対の冷却媒体マニホールド孔34,44間を結ぶように形成される。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、燃料電池1を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。
Moreover, although not shown in figure in the main surface on the opposite side to the electrode surface of the
なお、前記では、セパレータ30,40に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各マニホールド孔を設け、積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した、いわゆる内部マニホールド方式の燃料電池を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック3の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、いわゆる外部マニホールド方式の燃料電池であってもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。また、セパレータ30,40を多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体流路を流れる冷却水の圧力が、ガス流路31,41を流れる反応ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ30,40を透過させて、高分子電解質膜11を湿らせる、いわゆる内部加湿型の燃料電池であってもよい。
In the above description, the manifolds for the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water are provided in the
また、前記では、セパレータ30,40にガス流路31,41を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、一方のガス拡散層14にガス流路31を設け、他方のガス拡散層14にガス流路41を設けるようにしてもよい。また、セパレータ30と一方のガス拡散層14の両方にガス流路31を形成するようにしてもよい。また、セパレータ40と他方のガス拡散層14の両方にガス流路41を形成するようにしてもよい。
In the above description, the
《第2実施形態》
次に、本発明の第2実施形態にかかる燃料電池について説明する。図6は、本発明の第2実施形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す一部拡大断面図である。本第2実施形態の燃料電池が前記第1実施形態の燃料電池と異なる点は、セパレータ30,40と枠体20との間に第3シール部材60を備える点である。
<< Second Embodiment >>
Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell of the second embodiment is different from the fuel cell of the first embodiment in that a
第3シール部材60は、環状に形成され、セパレータ30と枠体20の両方、又はセパレータ40と枠体20の両方に接触するように設けられている。また、第3シール部材60は、第2シール部材21に外側で隣接するように設けられている。第2シール部材21と枠体20との接触圧力は、燃料電池1の内部に供給された反応ガスが外部へ流れようとする圧力よりも高くなっている。
The
本第2実施形態にかかる燃料電池によれば、第3シール部材60を更に備えることにより、第3シール部材60で、セパレータ30,40と枠体20との隙間を十分にシールすることができる。これにより、反応ガスの外部への漏出をより確実に防ぐことができる。さらに、高分子電解質膜11の厚さ方向から見て、触媒層13と重ならない部分であるガス拡散層14の外周部分14bを第2シール部材21で押し潰すことができる。そのため、ガス拡散層14の外周部分14bを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層13に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層の外周部分14bを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。なお、第2シール部材21を第3シール部材60とガス拡散層14との隙間C1の全部を塞ぐように設ける場合は、第2シール部材21と第3シール部材60とで、セパレータ30,40と枠体20との隙間を二重にシールすることができる。これにより、反応ガスの外部への漏出をより一層防ぐことができる。
According to the fuel cell according to the second embodiment, by further including the
なお、第3シール部材60により、反応ガスの外部への漏出を防ぐことができるので、第2シール部材21は、反応ガスの外部への漏出を防ぐものでなくてもよく、ガス拡散層14と第3シール部材60との隙間を埋められるものであればよい。このため、図7に示すように、セパレータ30,40と電極−膜−枠接合体2とを接合する前において、第2シール部材21は、頂部21aが第3シール部材60の頂部60aよりも低くなるように形成されてもよい。
Since the third sealing
また、第2シール部材21と第3シール部材60とは、異なる樹脂材料で構成されてもよい。例えば、第2シール部材21は、第3シール部材60よりも柔らかい樹脂材料で構成されてもよい。この場合、第2シール部材21が弾性変形し易くなるため、ガス拡散層14と第3シール部材60との隙間をより確実に埋めることができる。
Further, the
また、第2シール部材21と第3シール部材60とは、同一の樹脂材料により一体に形成されてもよい。この場合、第2シール部材21と第3シール部材60とを同時に形成することができるので、製造工程の増加を抑えることができる。
Further, the
また、図9に示すように第1シール部材18と第2シール部材21と第3シール部材60とは、同一の樹脂材料により一体に形成されてもよい。この場合、第1シール部材18と第2シール部材21が連続しているため、ガス拡散層14の剛性によらずセパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との隙間をより確実に埋めることができる。さらに、第1シール部材18と第2シール部材21と第3シール部材60とを同時に形成することができるので、製造工程の増加を抑えることができる。
Moreover, as shown in FIG. 9, the
また、第1シール部材18は、図8に示すように、セパレータ30,40の段差の側面15とガス拡散層14との隙間C2の全部を塞ぐのではなく、当該隙間C2の一部を塞ぐように設けられてもよい。この場合でも、反応ガスが隙間C2を通じて燃料電池の外部に排出されること(ガスの回り込み現象)を抑えることができるので、従来の燃料電池よりも発電性能を向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 8, the
また、第2シール部材21は、図8に示すように、第3シール部材60とガス拡散層14との隙間C1の全部を塞ぐのではなく、当該隙間C1の一部を塞ぐように設けられてもよい。この場合でも、反応ガスが隙間C1を通じて燃料電池の外部に排出されること(ガスの回り込み現象)を抑えることができるので、従来の燃料電池よりも発電性能を向上させることができる。高分子電解質膜11の厚さ方向から見て、触媒層13と重ならない部分であるガス拡散層14の外周部分14bの一部を押し潰すことができる。ガス拡散層14の外周部分14bの一部を押し潰すことによって、ガス拡散層14の外周部分14bを反応ガスが通流することを抑制できる。これにより、触媒層13に供給されず、発電反応に寄与しない反応ガスがガス拡散層の外周部分14bを通流することを抑制でき、反応ガスをより有効に利用することができる。また、第2シール部材21を配置する面積を少なくすることで、電極−膜−枠接合体2とセパレータ30,40とを締結する際に、当該第2シール部材21を押し潰すために必要な締結荷重が増加することを抑えることができる。これにより、セパレータ30,40に強度の低い部材を用いることができ、コストを抑えることができる。
Further, as shown in FIG. 8, the
なお、図8では、複数の第2シール部材21が隙間C1に設けられる例を示したが、本発明はこれに限定されない。隙間C1に第2シール部材21を1つ設けた場合でも、ガスの回り込み現象を抑えることができ、従来の燃料電池よりも発電性能を向上させることができる。
Although FIG. 8 shows an example in which the plurality of
また、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
例えば、第1シール部材等がアノード側及びカソード側のいずれか一方にのみ設けられてもよい。
In addition, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.
For example, the first seal member or the like may be provided only on either the anode side or the cathode side.
本発明にかかる燃料電池は、発電性能を一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池として有用である。 Since the power generation performance of the fuel cell according to the present invention can be further improved, the fuel cell is useful as a fuel cell used as a drive source for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like. is there.
1 燃料電池
2 電極−膜−枠接合体
3 燃料電池スタック
10 MEA(膜電極接合体)
11 高分子電解質膜
12 電極層
13 触媒層
13a 外縁
14 ガス拡散層
14a 外縁
14b 外周部分
15 段差の側面
16 発電領域
17 発電領域以外の領域
18 第1シール部材
18a 第1シール部材外周部
20 枠体
20a 内縁
20b 突起部
21 第2シール部材
21a 頂部
21b 内周部分
30,40 セパレータ
31,41 ガス流路
60 第3シール部材
60a 頂部
C1,C2 隙間
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記高分子電解質膜の外周領域上に設けられた枠体と、
前記高分子電解質膜の厚さ方向から見てその外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体上に設けられたガス拡散層と、
前記ガス拡散層上に設けられ、発電を行う領域である発電領域と、前記発電領域よりも外側の領域である発電領域以外の領域とを有するセパレータと、
を備え、
前記発電領域と発電領域以外の領域との境界には段差が設けられ、
前記段差の側面には、前記段差の側面と前記ガス拡散層との間に形成される隙間を埋める第1シール部材が設けられている、
燃料電池。 A polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane;
A frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane;
A gas diffusion layer provided on the catalyst layer and the frame body such that the outer edge thereof is located outside the inner edge of the frame body as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane;
A separator that is provided on the gas diffusion layer and has a power generation region that generates power, and a region other than the power generation region that is an area outside the power generation region;
With
A step is provided at the boundary between the power generation region and the region other than the power generation region,
A side surface of the step is provided with a first seal member that fills a gap formed between the side surface of the step and the gas diffusion layer.
Fuel cell.
前記第2シール部材と前記ガス拡散層の外周部分の少なくとも一方が他方により前記厚さ方向に押し潰されている、請求項1に記載の燃料電池。 Furthermore, a resin-made second seal member provided so as to come into contact with both the separator and the frame,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the second seal member and the outer peripheral portion of the gas diffusion layer is crushed in the thickness direction by the other.
前記第2シール部材は、前記ガス拡散層の外縁に対して隙間を空けて配置され、
前記シール部材は、前記隙間の一部を塞ぐように設けられている、請求項5に記載の燃料電池。 An annular resin-made third seal member provided between the separator and the frame;
The second seal member is disposed with a gap with respect to an outer edge of the gas diffusion layer,
The fuel cell according to claim 5, wherein the seal member is provided so as to close a part of the gap.
発電を行う領域である発電領域と、前記発電領域よりも外側の領域である発電領域以外の領域とが段差により区画され、前記段差の側面にシール部材が設けられた、セパレータを用意し、
前記電極−膜−枠接合体と前記セパレータとを締結する、
ことを含む、燃料電池の製造方法。 A polymer electrolyte membrane, a catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane, a frame provided on an outer peripheral region of the polymer electrolyte membrane, and a thickness of the polymer electrolyte membrane as viewed from the thickness direction. Preparing an electrode-membrane-frame assembly comprising the catalyst layer and a gas diffusion layer provided on the frame so that the outer edge is positioned outside the inner edge of the frame;
A power generation region, which is a region where power generation is performed, and a region other than the power generation region, which is a region outside the power generation region, are partitioned by a step, and a separator provided with a seal member on a side surface of the step is prepared.
Fastening the electrode-membrane-frame assembly and the separator;
The manufacturing method of a fuel cell including this.
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- 2013-03-15 JP JP2013052779A patent/JP2014179252A/en active Pending
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