JP2009021217A - Electrode-membrane-frame assembly for fuel cell and manufacturing method thereof, and polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、燃料電池の電極−膜−枠接合体の構造およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a structure of an electrode-membrane-frame assembly of a fuel cell and a method for manufacturing the same.
固体高分子電解質型燃料電池(以下、「PEFC」という場合もある。)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、電力と熱を同時に発生させる装置である。 A solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “PEFC”) is a fuel cell containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, such as air, electrochemically reacted to generate electric power. It is a device that generates heat at the same time.
このようなPEFCの最も代表的なものは、周縁部にガスをシールするための封止部材であるガスケットが配置された高分子電解質膜と、この電解質膜の一方の面にアノードが接合されかつ電解質膜の他方の面にカソードが接合されて構成される電解質膜−電極接合体(以降、「MEA」とする。)と、MEAを挟むアノード側導電性セパレータ板及びカソード側導電性セパレータ板から構成され、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部が、セパレータ板の内のMEAと当接する中央部の周縁に形成されている。 The most representative of such PEFC is a polymer electrolyte membrane in which a gasket, which is a sealing member for sealing gas, is disposed at the peripheral portion, and an anode is joined to one surface of the electrolyte membrane, and An electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) formed by bonding a cathode to the other surface of the electrolyte membrane, an anode side conductive separator plate and a cathode side conductive separator plate sandwiching the MEA A gas supply portion configured to supply fuel gas and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively, is formed at the peripheral edge of the central portion in contact with the MEA in the separator plate.
ここで、PEFCにおける重要な課題の1つに燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率の向上がある。具体的には、MEAは、加工工程上の制約等の理由から、ガスケットの内縁と電極層の外縁との間には間隙が生じる場合がある。このような間隙が存在するような場合にあっては、PEFC運転時において間隙に燃料ガス及び酸化剤ガスが漏出し、さらに、漏出した燃料ガス及び酸化剤ガスがMEAにほとんど曝露されないまま、外部へ排出されることになる。その結果、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率の低下、すなわちPEFCの効率(発電効率)の低下を招来する。このような問題を解決するために、例えば、特許文献1においては、MEAの電極層の外縁を覆ってシールをする所定の樹脂材料により形成されたガスケットがMEAと一体化された構造のMEAが提案されている。また、その他、ガスケットがMEAと一体化された様々な構造あるいは関連する技術が提案されている(例えば、特許文献2〜9参照)。
Here, one of the important issues in PEFC is the improvement in utilization efficiency of fuel gas and oxidant gas. Specifically, in the MEA, there may be a gap between the inner edge of the gasket and the outer edge of the electrode layer due to restrictions on processing steps and the like. In the case where such a gap exists, fuel gas and oxidant gas leak into the gap during PEFC operation, and the leaked fuel gas and oxidant gas are hardly exposed to the MEA. Will be discharged. As a result, the use efficiency of the fuel gas and the oxidant gas is reduced, that is, the PEFC efficiency (power generation efficiency) is reduced. In order to solve such a problem, for example, in
しかしながら、例えば、特許文献1に代表されるようなMEAと一体化されたガスケット構造では、MEAにおいて電極層の周縁部に過不足なく均一に密着させるように樹脂材料を配置させる工程に手間を要し、少なくとも大量生産には適さない。さらに、特許文献1のような構成では、MEAへ供給される燃料ガスや酸化剤ガスのマニフォルドが、セパレータ板の外側に形成されることとなるため、複数の単電池モジュールが積層されて構成される燃料電池をコンパクトなものにできないという弊害もある。
However, for example, in the gasket structure integrated with the MEA as typified by
このような問題を解消するためには、例えば、MEAにおける高分子電解質膜の周縁部を保持するように樹脂材料により枠体を形成し、この枠体の表面にガスケットを形成するとともに、枠体にマニフォルドを形成するというような構成を考えることができる。 In order to solve such a problem, for example, a frame body is formed of a resin material so as to hold the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane in the MEA, and a gasket is formed on the surface of the frame body. A configuration in which a manifold is formed can be considered.
しかしながら、MEAを枠体に保持させる構造や、このような枠体をどのように製造するかということについては、様々な手法を考えることができる。特に、MEAは比較的高価な部材であり、燃料電池製造において高い歩留まり(生産性)を実現することが望まれる。 However, various methods can be considered for the structure for holding the MEA in the frame and how to manufacture such a frame. In particular, the MEA is a relatively expensive member, and it is desired to achieve a high yield (productivity) in fuel cell production.
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、固体高分子電解質型燃料電池に関し、その製造において高い歩留まりを実現することができる燃料電池用の電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに電極−膜−枠接合体を備えた高分子電解質型燃料電池およびその製造方法を提供することにある。
また、本発明の更なる目的は、一つのセパレータの間に膜電極接合体が挟まれた単電池モジュールにおける確実な封止を実現できる燃料電池用の電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに電極−膜−枠接合体を備えた高分子電解質型燃料電池およびその製造方法を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and relates to a solid polymer electrolyte fuel cell, and an electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell capable of realizing a high yield in its manufacture, and An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof, a polymer electrolyte fuel cell including an electrode-membrane-frame assembly, and a manufacturing method thereof.
A further object of the present invention is to provide an electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell and a method for producing the same that can realize reliable sealing in a single cell module in which a membrane electrode assembly is sandwiched between one separator. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell including an electrode-membrane-frame assembly and a method for producing the same.
上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。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の第1態様によれば、膜電極接合体と、
上記膜電極接合体の周縁部の一方の面に配置された第1の枠体と、
上記膜電極接合体の周縁部の他方の面に配置されて、上記第1の枠体との間で上記膜電極接合体の周縁部を挟んで保持する第2の枠体とを備え、
一対のセパレータの間に挟まれて配置されることにより、燃料電池における単電池モジュールを構成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the first aspect of the present invention, a membrane electrode assembly;
A first frame disposed on one surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly;
A second frame disposed on the other surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly and holding the peripheral edge of the membrane electrode assembly with the first frame;
Provided is an electrode-membrane-frame assembly for a polymer electrolyte fuel cell that constitutes a unit cell module in a fuel cell by being sandwiched between a pair of separators.
本発明の第2態様によれば、上記第1の枠体と第2の枠体とによる上記膜電極接合体の保持を解除可能に行う保持手段をさらに備える、第1態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a second aspect of the present invention, the fuel cell according to the first aspect, further comprising holding means for releasably holding the membrane electrode assembly by the first frame body and the second frame body. An electrode-membrane-frame assembly is provided.
本発明の第3態様によれば、上記保持手段は、上記第1および第2の枠体のいずれか一方の少なくとも一部を、他方に解除可能に嵌合させる嵌合構造である、第2態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the third aspect of the present invention, the holding means has a fitting structure in which at least a part of either one of the first and second frame bodies is releasably fitted to the other. An electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to an aspect is provided.
本発明の第4態様によれば、上記保持手段は、上記第1の枠体と上記第2の枠体とを解除可能に互いに係合させる係合部材である、第2態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel according to the second aspect, the holding means is an engaging member that releasably engages the first frame and the second frame. An electrode-membrane-frame assembly for a battery is provided.
本発明の第5態様によれば、上記膜電極接合体は、高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜の周縁部を露出させるように、周縁部より内側の両表面に配置されて上記高分子電解質膜に接合された一対の電極層とを有し、
上記一対の電極層から露出された上記高分子電解質膜の周縁部が、上記第1および第2の枠体により挟まれて保持される、第1態様から第4態様のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the fifth aspect of the present invention, the membrane electrode assembly is disposed on both surfaces inside the peripheral edge so as to expose the polymer electrolyte membrane and the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane. A pair of electrode layers bonded to the molecular electrolyte membrane,
The peripheral part of the polymer electrolyte membrane exposed from the pair of electrode layers is held by being sandwiched and held by the first and second frame bodies, according to any one of the first to fourth aspects. An electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell is provided.
本発明の第6態様によれば、上記第1の枠体と一方の上記セパレータとの間で封止を行うセパレータ用封止部材が、上記第1の枠体のセパレータ側表面に配置されており、
上記第2の枠体と他方の上記セパレータとの間で封止を行うセパレータ用封止部材が、上記第2の枠体のセパレータ側表面に配置されている、第1態様から第5態様のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the sixth aspect of the present invention, the separator sealing member that seals between the first frame and one of the separators is disposed on the separator-side surface of the first frame. And
The separator sealing member for sealing between the second frame and the other separator is disposed on the separator side surface of the second frame, according to the first to fifth aspects. An electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to any one of the above is provided.
本発明の第7態様によれば、上記第1の枠体及び上記第2の枠体における上記膜電極接合体の周縁部側に面する各々の膜側表面に、上記膜側表面と上記膜電極接合体の周縁部との間を封止する膜用封止部材が配置される、第1態様から第6態様のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the seventh aspect of the present invention, the membrane-side surface and the membrane are provided on each membrane-side surface facing the peripheral edge side of the membrane-electrode assembly in the first frame and the second frame. The electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to any one of the first to sixth embodiments, wherein a membrane sealing member that seals between the periphery of the electrode assembly is disposed. provide.
本発明の第8態様によれば、上記第1の枠体及び上記第2の枠体における上記膜電極接合体の周縁部側に面する各々の膜側表面に、上記膜側表面と上記膜電極接合体の周縁部との間を封止する膜用封止部材が配置され、
上記第1及び第2の枠体において、上記セパレータ側表面と上記膜側表面とを貫通する貫通孔が形成され、上記貫通孔内に充填された封止部材により、上記セパレータ側の表面の上記セパレータ用封止部材と上記膜側表面の上記膜用封止部材とが一体的に接続されている、第6態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the eighth aspect of the present invention, the membrane-side surface and the membrane are provided on each membrane-side surface facing the peripheral edge side of the membrane-electrode assembly in the first frame and the second frame. A membrane sealing member that seals between the periphery of the electrode assembly is disposed,
In the first and second frame bodies, a through-hole penetrating the separator-side surface and the membrane-side surface is formed, and the sealing member filled in the through-hole allows the surface on the separator-side to The electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to the sixth aspect, wherein the separator sealing member and the membrane sealing member on the membrane side surface are integrally connected.
本発明の第9態様によれば、上記第1及び第2の枠体における上記膜電極接合体の周縁部側に面するそれぞれの膜側表面のいずれか一方に突起部が形成され、いずれか他方に上記突起部と係合される係合孔が形成され、上記突起部と上記係合孔との係合により、上記第1及び第2の枠体が嵌合されている、第3態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the ninth aspect of the present invention, a protrusion is formed on any one of the respective film-side surfaces facing the peripheral edge side of the membrane-electrode assembly in the first and second frames. An engagement hole to be engaged with the protrusion is formed on the other side, and the first and second frames are fitted by engagement of the protrusion and the engagement hole. An electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell as described in 1. above.
本発明の第10態様によれば、上記膜電極接合体の周縁部に、上記第1又は第2の枠体の上記突起部が貫通される貫通孔が形成されている、第9態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, a through-hole through which the protruding portion of the first or second frame is penetrated is formed in a peripheral portion of the membrane electrode assembly. An electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell is provided.
本発明の第11態様によれば、上記第2の枠体は、上記膜電極接合体の周縁部が配置される面をその底面とする段部を有し、上記膜電極接合体の周縁部を介して上記第1の枠体が上記段部上に配置される、第1態様から第10態様のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to an eleventh aspect of the present invention, the second frame body has a step portion having a bottom surface as a surface on which the peripheral edge portion of the membrane electrode assembly is disposed, and the peripheral edge portion of the membrane electrode assembly. The electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to any one of the first to tenth aspects is provided, wherein the first frame is disposed on the stepped portion via a gap.
本発明の第12態様によれば、上記第2の枠体における上記段部よりも外周側の両表面に、上記一対のセパレータとの間を封止する外周側封止部材がさらに配置されている、第11態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the twelfth aspect of the present invention, the outer peripheral side sealing member that seals between the pair of separators is further disposed on both surfaces of the second frame body on the outer peripheral side of the stepped portion. An electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to the eleventh aspect is provided.
本発明の第13態様によれば、上記第1および第2の枠体は、樹脂材料により形成されている、第1態様から第12態様のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a thirteenth aspect of the present invention, the electrode for a fuel cell according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the first and second frames are formed of a resin material. A membrane-frame assembly is provided.
本発明の第14態様によれば、第1態様から第13態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体と、上記電極−膜−枠接合体を挟むように配置された一対のセパレータとを有する単電池モジュールを、1又は複数積層して備える、高分子電解質型燃料電池を提供する。 According to the fourteenth aspect of the present invention, the electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to thirteenth aspects and a pair disposed so as to sandwich the electrode-membrane-frame assembly. There is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising one or a plurality of unit cell modules each having a separator.
本発明の第15態様によれば、一対のセパレータの間に挟まれて配置されることにより、燃料電池における単電池モジュールを構成する高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
膜電極接合体と、第1の枠体と、第2の枠体とを準備し、
上記膜電極接合体の周縁部の一方に面に上記第1の枠体を配置するとともに、上記膜電極接合体の周縁部の他方の面に上記第2の枠体を配置して、上記第1および第2の枠体により上記膜電極接合体の周縁部を挟んで保持させて、電極−膜−枠接合体を形成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
According to the fifteenth aspect of the present invention, an electrode-membrane-frame assembly for a polymer electrolyte fuel cell constituting a single cell module in a fuel cell is disposed by being sandwiched between a pair of separators. A manufacturing method comprising:
Preparing a membrane electrode assembly, a first frame, and a second frame;
The first frame is disposed on one surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly, and the second frame is disposed on the other surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly. An electrode-membrane-frame assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein an electrode-membrane-frame assembly is formed by holding the peripheral portion of the membrane electrode assembly with the first and second frames sandwiched therebetween. A manufacturing method is provided.
本発明の第16態様によれば、上記第1および第2の枠体による上記膜電極接合体の周縁部の保持は、上記第1および第2の枠体のいずれか一方の少なくとも一部を他方に解除可能に嵌合させることにより行う、第15態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。 According to the sixteenth aspect of the present invention, holding of the peripheral edge portion of the membrane electrode assembly by the first and second frames is performed by at least part of any one of the first and second frames. A method for producing an electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to the fifteenth aspect, which is performed by releasably fitting to the other.
本発明の第17態様によれば、上記第1および第2の枠体により上記膜電極接合体の周縁部を保持して、電極−膜−枠接合体を形成した後、上記電極−膜−枠接合体が不良であるかどうかを判断し、
不良であると判断された場合に、上記第1および第2の枠体による嵌合を解除して、上記膜電極接合体を回収する、第16態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
According to the seventeenth aspect of the present invention, the peripheral portion of the membrane electrode assembly is held by the first and second frames to form the electrode-membrane-frame assembly, and then the electrode-membrane- Determine if the frame assembly is defective,
The electrode-membrane-for a fuel cell according to the sixteenth aspect, wherein when it is determined that it is defective, the fitting by the first and second frames is released and the membrane-electrode assembly is recovered. A method for manufacturing a frame joined body is provided.
本発明の第18態様によれば、上記第1及び第2の枠体の嵌合は、上記第1及び第2の枠体におけるいずれか一方に形成された突起部と、いずれか他方に形成された係合孔との解除可能な係合により行われる、第16態様または第17態様に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。 According to the eighteenth aspect of the present invention, the fitting of the first and second frames is formed on one of the first and second frames and on the other. A method for producing an electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to the sixteenth aspect or the seventeenth aspect, which is performed by releasable engagement with the engaged hole.
本発明の第19態様によれば、第15態様から第18態様のいずれか1つに記載の製造方法により形成された上記電極−膜−枠接合体を挟むように一対のセパレータを配置して単電池モジュールを形成して、1又は複数の単電池モジュールを積層して燃料電池を製造する、高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供する。 According to the nineteenth aspect of the present invention, a pair of separators are arranged so as to sandwich the electrode-membrane-frame assembly formed by the manufacturing method according to any one of the fifteenth to eighteenth aspects. Provided is a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, in which a single cell module is formed and a fuel cell is manufactured by stacking one or a plurality of single cell modules.
本発明によれば、膜電極接合体の周縁部を枠体により保持させる構成において、枠体を第1および第2の枠体に2ピース化して、第1の枠体および第2の枠体の間に膜電極接合体の周縁部を挟み込むように配置して、膜電極接合体の枠体による保持構造、すなわち電極−膜−枠接合体を実現している。このような保持構造が採用されていることにより、例えば、枠体を樹脂成形により形成するための金型内に膜電極接合体を配置した状態にて、熱可塑性樹脂を金型内に注入して射出成形により電極−膜−枠接合体を形成するような場合に比して、歩留まりを向上させることができる。すなわち、射出成形により形成するような場合にあっては、成形後は、膜電極接合体と枠体とを切り離すことが困難となるため、例えば、樹脂材料の注入不良などの枠体の成形不良が生じたような場合、樹脂材料に比して高価な部材である膜電極接合体を無駄にしてしまうこととなり、歩留まりを向上させることが困難である。これに対して、第1及び第2の枠体により膜電極接合体を挟み込むような保持構造においては、第1及び第2の枠体自体の製造(例えば樹脂成形)とは切り離して、膜電極接合体の保持構造を実現することができる。それとともに、第1及び第2の枠体の挟み込みによる保持を行っているため、膜電極接合体の保持を容易に解除させることができ、膜電極接合体が無駄になることもない。よって、本発明によれば、燃料電池において、電極−膜−枠接合体の製造における歩留まりを向上させる構造及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, in the configuration in which the peripheral portion of the membrane electrode assembly is held by the frame body, the frame body is divided into two pieces into the first and second frame bodies, and the first frame body and the second frame body The membrane electrode assembly is disposed so as to sandwich the peripheral portion of the membrane electrode assembly, thereby realizing a holding structure of the membrane electrode assembly by a frame, that is, an electrode-membrane-frame assembly. By adopting such a holding structure, for example, a thermoplastic resin is injected into the mold in a state where the membrane electrode assembly is disposed in the mold for forming the frame body by resin molding. Thus, the yield can be improved as compared with the case where the electrode-membrane-frame assembly is formed by injection molding. That is, in the case of forming by injection molding, it is difficult to separate the membrane electrode assembly from the frame after molding. For example, defective molding of the frame such as poor injection of resin material. In such a case, the membrane electrode assembly, which is an expensive member compared to the resin material, is wasted, and it is difficult to improve the yield. On the other hand, in the holding structure in which the membrane electrode assembly is sandwiched between the first and second frames, the membrane electrode is separated from the manufacture of the first and second frames themselves (for example, resin molding). A bonded structure holding structure can be realized. At the same time, since the holding by sandwiching the first and second frames is performed, the holding of the membrane electrode assembly can be easily released, and the membrane electrode assembly is not wasted. Therefore, according to the present invention, in the fuel cell, it is possible to provide a structure that improves the yield in the manufacture of the electrode-membrane-frame assembly and a method for manufacturing the structure.
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池(以降、「PEFC」とする。)の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of the structure of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) according to a first embodiment of the present invention.
図1に示すようにPEFC100は、複数のセル(単電池モジュール)10を積層させて構成されている。なお、図示しないが、セル10の両端の最外層には、集電板、絶縁板、エンドプレート(端板)が取り付けられ、セル10は両端から、ボルト孔4を挿通される締結ボルトとナット(ともに図示なし)とで締結されて構成されている。本第1実施形態では、セル10は60個積層されて、ボルト孔4に挿通されるボルトとナットとが締結力10kNで締結されている。なお、本第1実施形態においては、複数のセル10が積層された構造を例として説明するが、1個のセルによりPEFCが構成されるような場合であっても本発明を適用することができる。
As shown in FIG. 1, the
セル10は、電極−膜−枠接合体1を一対の導電性セパレータであるアノードセパレータ2とカソードセパレータ3により挟んで構成されている。より具体的には、電極−膜−枠接合体1の周縁部に配置された枠体6の両面が、その両面に配置された封止部材の一例であるガスケット7を介して一対のセパレータ2、3により挟まれることで、セル10が構成されている。これにより、膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)5の電極層の最も外側に設けられた拡散層5C(図5参照)がセパレータ2,3の表面と当接し、アノードセパレータ2の燃料ガス流路溝21の拡散層当接部21A及びカソードセパレータ3の酸化剤ガス流路溝31の拡散層当接部31Aと拡散層5Cで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が画定される。これにより、拡散層当接部21Aを流通する燃料ガスはアノードでセパレータ2側の拡散層5Cに接触してPEFC100の電気化学反応を生じさせる。また、積層されたセル10においては、隣接したMEA5が互いに電気的に直列、または並列に接続される。
The
セパレータ2,3及び電極−膜−枠接合体1の周縁部、すなわち、枠体6に燃料ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、燃料ガスマニフォルド孔12,22,32及び、酸化剤マニフォルド孔13,23,33が設けられている。セル10が積層された状態では、これら貫通孔が積層して、燃料ガスマニフォルド及び酸化剤マニフォルドを形成する。
A pair of through-holes through which fuel gas and oxidant gas flow, ie, fuel gas manifold holes 12, 22, 32, and the peripheral portions of the
そして、アノードセパレータ2の内側の主面には、一対の燃料ガスマニフォルド孔22、22間を結ぶようにして燃料ガス流路溝21が設けられている。カソードセパレータ3の内側の主面には、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔33,33間を結ぶようにして酸化剤ガス流路溝31が形成されている。つまり、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから、流路溝21,31に分岐して、それぞれの他方のマニフォルド、すなわち、排出側のマニフォルドに流通するように構成される。そして、燃料ガス流路溝21は、セル10の組立状態において、拡散層5Cと当接する表面に形成されている拡散層当接部21A及び拡散層5Cに当接する表面と拡散層5Cの周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部(連絡用流路溝)21Bを有して構成される。同様にして、流路溝31は、セル10の組立状態において拡散層5Cと当接する表面に形成されている拡散層当接部31A、及び拡散層5Cに当接する表面と拡散層5Cの周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部(連絡用流路溝)31Bを有して構成される。ここでは、連絡部21B、31Bは、一対のマニフォルド孔22,33と拡散層当接部21A,31Aとを結ぶように形成されている。これによって、酸化剤ガスと燃料ガスとは、それぞれ供給側の燃料ガスマニフォルド孔22及び酸化剤ガスマニフォルド孔33から連絡部21B、31Bに分岐して流入し、それぞれ拡散層当接部21A、31Aにおいて拡散層5Cに接触し、電気化学反応を起こす。そして、それらの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の燃料ガスマニフォルド孔22及び酸化剤ガスマニフォルド孔33に接続されている連絡部21B、31Bを経由して排出側の燃料ガスマニフォルド孔22及び酸化剤ガスマニフォルド孔33に排出される。
A fuel gas channel groove 21 is provided on the inner main surface of the
膜電極接合体1の枠体6の両側主面にはガスケット7が配設されている。ガスケット7は、酸化剤ガスと燃料ガスとが、所定の流路溝21,31から流出しないように配設されている。すなわち、ガスケット7は、マニフォルド孔12,13,14の周囲及び枠の周囲を包囲するようにして配設されている。また、ここでは、アノードセパレータ2側では、セル10の組立状態において、燃料ガス流路溝21の連絡部21Bが当接する位置には、ガスケット7が配設されていない。また、燃料ガスマニフォルド孔12とMEA5とが一体的に包囲されるようにガスケット7が配設されている。同様に、カソードセパレータ3側では、セル10の組立状態において、酸化剤ガス流路溝31の連絡部31Bが当接する位置には、ガスケット7は配設されていない。また、酸化剤ガスマニフォルド孔13とMEA5との間を流通する燃料ガス、及び酸化剤ガスマニフォルド孔33とMEA5との間を流通する酸化剤ガスの流通が阻害されないように、ガスケット7によって、燃料ガス流路21及び酸化剤ガス流路31外への燃料ガス及び酸化剤ガスの漏出が防止される。なお、図1においては、説明の都合上ガスケット7、セパレータ2,3の拡散層当接部21A,31Aの流路溝21,31の蛇行構造については概略構成として示している。
なお、本第1実施形態のPEFC100においては、マニフォルドをセパレータの貫通孔により形成されるような場合について説明するが、このような場合に代えて、いわゆる外部マニフォルド、すなわち、セパレータの外側に形成されるマニフォルドによって構成されていてもよい。すなわち電極−膜−枠接合体1及びセパレータ2,3には、燃料ガスマニフォルド孔12,22,32及び酸化剤ガスマニフォルド孔13,23,33は形成されずに、燃料ガス流路溝21及び酸化剤ガス流路31の連絡部21B,31Bがそれぞれのセパレータ2,3の端面まで延伸される。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給する配管が、各々のセパレータ2,3の端面に分岐して接合されて構成される。外部マニフォルドの場合、ガスケット7は燃料ガス流路溝21及び酸化剤ガス流路溝31の連絡部21B,31Bそれぞれの周囲に沿って枠体6の端面まで延伸して配設される。なお、PEFC100のコンパクト化、及び外観状の構成の簡素さという観点からは、マニフォルドがセパレータの貫通孔により形成されることが好ましい。
In the
また、セパレータ2,3及び電極−膜−枠接合体1の周縁部に、燃料ガスマニフォルド孔12,22,32及び酸化剤ガスマニフォルド孔13,23,33と同様に、水が流通する二対のマニフォルドを形成する水マニフォルド孔14,24,34が設けられている。これによって、セル10が積層された状態では、これらマニフォルド孔はそれぞれ積層して二対の水マニフォルドが形成される。
Similarly to the fuel gas manifold holes 12, 22, 32 and the oxidant gas manifold holes 13, 23, 33, two pairs in which water circulates in the peripheral portions of the
ここで、電極−膜−枠接合体1の模式平面図を図2に示し、図2の電極−膜−枠接合体1におけるA−A’線断面図を図5に示すとともに、B−B’線断面図を図6に示す。
Here, a schematic plan view of the electrode-membrane-
図5及び図6に示すように、MEA5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜5Aと、高分子電解質膜5Aの両面に形成された一対の電極層5D(アノードとカソードの電極層)とを備えている。電極層5Dは、通常、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜5Aの表面に形成される触媒層と、この触媒層5Bの外面に形成される通気性及び導電性を併せ持つ拡散層5Cを備えている。なお、触媒層5Bは、図示しない撥水カーボン層と白金カーボン層との2層構造となっていてもよい。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
アノードセパレータ2及びカソードセパレータ3は、平板状であって、電極−膜−枠接合体1と接触する側の面、すなわち内面は、電極−膜−接合体1の形状、より具体的には、枠体6とMEA5との厚みの違いによる段差に応じるようにして、中央部が台形状に突出するように段差を有している。ここで、アノードセパレータ2及びカソードセパレータ3は、例えば、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン(厚さ3mm)を用いている。セパレータ2,3では、各種マニフォルド孔22,23,32,33,34、並びにボルト孔4がセパレータ2,3の厚み方向に貫通している。また、セパレータ2,3の内面には、燃料ガス流路溝21、酸化剤ガス流路31が形成されて、セパレータ2,3の背面には、図示しない水流路溝が形成されている。各種マニフォルド孔22,23,24,32,33,34、ボルト孔4、燃料ガス流路溝31,水流路溝50などは、切削加工あるいは成形加工により形成される。
The
ここで、水流路溝は二対の水マニフォルド孔24,34間を結ぶようにして形成される。すなわち、水がそれぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから水流路溝に分岐して、それぞれ他方のマニフォルド、すなわち、排水側のマニフォルドに流通するように構成される。これによって、水の伝熱能力によりセル10を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスと同様にして、セパレータ2,3及び膜電極接合体1の周縁部に水マニフォルド孔14,24,34を形成せずに、冷却する給排路を外部マニフォルド構造にしてもよい。さらには、セパレータ2,3の背面に水流路溝を形成せずに隣接するセルの間に冷却水が循環する冷却ユニットを挿入してセル10を積層するように構成してもよい。
Here, the water channel groove is formed so as to connect the two pairs of water manifold holes 24 and 34. That is, it is configured such that water branches from one manifold, that is, a supply-side manifold, to a water flow channel, and flows to the other manifold, that is, a drainage-side manifold. Thereby, the
図5及び図6に示すように、枠体6は、第1の枠体6Aと第2の枠体6Bとが組み合わされて構成されている。具体的には、第1の枠体6Aと第2の枠体6Bとの間に、MEA5の周縁部において露出されるように配置されている高分子電解質膜5Aの周縁部が配置されて、両枠体6A,6Bにより挟み込まれることにより、MEA5が枠体6により保持された構成が実現されている。さらに、第1の枠体6Aには、第2の枠体6Bを機械的に嵌め合わせるための突起部の一例であるリブ(位置決め用リブ)8Aが形成されており、第2の枠体6Bの孔(位置決め用係合孔)8Bに嵌合されることで、第1及び第2の枠体6A,6Bが機械的に一体化される。
As shown in FIG.5 and FIG.6, the
ここで、第1の枠体6Aの模式平面図を図3に示し、第2の枠体6Bの模式平面図を図4に示す。図3及び図4、並びに図5及び図6に示すように、第1の枠体6Aにおいて、アノードセパレータ2側の表面(セパレータ側表面)とは逆側の表面(高分子電解質膜側表面)には、その内縁部において段部6Cが形成されている。また、第2の枠体6Bにおいて、カソードセパレータ3側の表面(セパレータ側表面)とは逆側の表面(高分子電解質膜側表面)は、この段部6Cの形状に嵌め合うように形成されている。MEA5の周縁部において露出された状態の高分子電解質膜5Aの周縁部が、第1の枠体6Aの段部6C上に配置され、さらに、高分子電解質膜5Aを挟み込むようにして段部6Cに第2の枠体6Bが嵌合されている。なお、第1の枠体6Aのリブ8Aは、段部6C上に形成されている。
Here, a schematic plan view of the
また、第1及び第2の枠体6A、6Bには、封止部材の一例であるガスケット7が形成されている。ガスケット7は弾性体で構成され、一対のセパレータ2,3間に電極−膜−枠接合体1が配置されて押圧されることによって変形され、図2〜図4に示すように、MEA5の周囲(すなわち、MEA5とセパレータ2,3との間)及びマニフォルド孔の周囲が封止(シール)される。また、燃料ガスマニフォルド孔12及び酸化剤マニフォルド孔13においても同様にしてガスケット7によって、それぞれのマニフォルド孔の周囲がシールされる。
Moreover, the
具体的には、ガスケット7は、枠体6の枠形状に沿うように延在して配置されており、枠状内側に配置された内側ガスケット7Dと、枠状外側に配置された外側ガスケット7Eとを備えており、2重シール構造が採用されている。内側ガスケット7Dは、第1の枠体6Aにおける段部6Cの逆側のセパレータ側表面上と、第2の枠体6Bにおけるセパレータ側表面上に形成されている。さらに、外側ガスケット7Eは、内側ガスケット7Dから外周方向に離間して形成されており、第1の枠体6Aの段部6Cよりも外周側において、第1の枠体6Aの両面に形成されている。なお、図2〜図4及び図6に示すように、外側ガスケット7Eにより、それぞれのマニフォルド孔のシールが行われている。
Specifically, the
図5及び図6に示すように、ガスケット7(内側ガスケット7D及び外側ガスケット7E)の頂面には、その延在方向に沿って伸びるようにリブ(隆起部)7Cが形成されている。このリブ7Cは、セル10の組立状態において、リブ7Cに押圧力が集中するので、各マニフォルド孔12,13,14及びMEA5の周囲をより適切にシールすることができる。また、MEA5の周縁部、枠体6の内縁部、及び一対のセパレータ2,3により囲まれた部分には、空間(MEA周囲隙間)が形成される。このような隙間がMEA5の周縁部に沿って存在すると、隙間に沿ってガスが回り込み発電に使用されるガスの利用効率の低下が懸念される。そのため、このような隙間が、周縁部に沿って連通することを防止するように、第1の枠体6A及び第2枠体6Bの内縁部には、ガスケット7の一部として内側ガスケット7DからMEA5の内側に向けて延在して形成された複数のリブ状のガス回り込み防止部7Bが形成されている。このようにガスケット回り込み防止部7Bが形成されていることにより、隙間の連通が、その設置箇所において遮断され、ガスの回り込みが防止される。
As shown in FIGS. 5 and 6, ribs (ridges) 7 </ b> C are formed on the top surfaces of the gaskets 7 (the
また、図5及び図6に示すように、第1及び第2の枠体6A,6Bにおける内側ガスケット6Dが形成されている部分には、内側ガスケット6Dの延在方向に沿うようにして、複数の貫通孔6Dが形成されている。また、第1及び第2の枠体6A,6Bにおけるぞれぞれの膜側表面、すなわち高分子電解質膜5Aを接する表面には、膜用封止部材の一例である膜用ガスケット7Aが形成されている。この膜用ガスケット7Aは、ガスケット7の一部として弾性体により形成され、それぞれの貫通孔6Dを通して充填された弾性体を介して内側ガスケット7Dと一体的に接続されている。このような膜用ガスケット7Aが設けられていることにより、高分子電解質膜5Aと第1及び第2の枠体6A,6Bの間を確実にシールすることができ、この間からガスがクロスリークすることを防止することができる。なお、このような膜用ガスケット7Aの機能から、膜用ガスケット7Aをガスクロスリーク防止部7Aと言うものとする。さらに、それぞれの貫通孔6Dは、内側ガスケット7Dとガスクロスリーク防止部7Aとを連通するように、枠体6A,6Bに垂直な貫通孔として形成されるとともに、その内側に弾性体が充填されている。このような構造が採用されていることにより、電極−膜−枠接合体1が、それぞれのセパレータ2,3により挟み込まれることにより、セパレータ2,3が内側ガスケット7Dを押圧し、その押圧力がそれぞれの貫通孔6D内の弾性体を介してガスクロスリーク防止部7Aに伝達されることになる。その結果、MEA5が第1及び第2の枠体6A,6Bにより挟み込まれているだけの状態(すなわち、セパレータ2,3により挟まれていない状態)に比して、セパレータ2,3により電極−膜−枠接合体1がセパレータ2,3により挟み込まれた場合の方が、高分子電解質膜5Aに対するガスクロスリーク防止部7Aの押圧力を高めることができ、そのシール効果を高めることができる。
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the first and
枠体6(第1の枠体6A及び第2の枠体6B)は、熱可塑性樹脂により形成される。この熱可塑性樹脂は、PEFC100の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い加重たわみ温度を有する。例えば、セパレータ2,3の燃料ガス流路21及び酸化剤ガス流路31の幅が1〜2mm程度、かつ枠体6の厚みが略1mm以下である場合、枠体6の圧縮弾性率は少なくとも2000MPa以上であることが好ましい。ここで、弾性率とは、JIS−K7181に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾性率をいう。
The frame body 6 (the
また、PEFC100の運転温度は一般的には90℃以下であるので、枠体6のたわみ荷重温度は120℃以上であることが好ましい。また、枠体6は化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂が好ましく、その中でも機械的強度が大きくかつ耐熱性の高い材料が好ましい。例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適であり、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、結晶ポリマー(LCP)ポリエーテルニトリル(PEN)などが例示できる。これらは、数千から数万MPaの圧縮弾性率と、150℃以上のたわみ荷重温度を有しており好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン(GFPP)などは、非充填のポリプロピレン(圧縮弾性率1000〜1500MPa)の数倍の弾性率を有し、かつ150℃近い撓み荷重温度を有しており、好適に使用できる。本第1実施形態においては、熱可塑性樹脂であるガラスフィラー添加PPS(大日本インキ株式会社DIC−PPS FZ1140−B2)が用いられている。
Moreover, since the operating temperature of PEFC100 is generally 90 ° C. or lower, the deflection load temperature of the
また、ガスケット7は、弾性体として熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーから構成される。この熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーは、PEFC100の運転条件下において化学的に安定で、特に加水分解をおこさないなど耐熱水性を有する。例えば、ガスケット7の圧縮弾性率は200MPa以下であることが好ましい。好適な材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドなどからなる群より選ばれる。これによって、PEFC100の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本第1実施形態においては、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(Advanced Elasotomer System社製)を用いている。
Moreover, the
アノードセパレータ2及びカソードセパレータ3の背面には、各種マニフォルド孔の周囲に、耐熱性の材料からなるスクイーズドパッキンなどの一般的なシール部材9が配設されている。これによって、隣接するセル10の間において、各種マニフォルド孔22,23,24,32,33,34のセル10間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス及び水の流出が防止される。
On the back surfaces of the
ここで、図2、図3、図4、図5、および図6の模式平面図および断面図を用いて説明した本第1実施形態の電極−膜−枠接合体1の構造を立体的に示す模式部分斜視図(一部断面有り)を図13に示す。さらに、電極−膜−枠接合体1において、第1の枠体6A、第2の枠体6B、およびMEA5を分解し、さらに第2の枠体6Bにおいて、ガスケット等の封止部材部分7A、7B、7C、および7Dを第2の枠体6Bから分解した状態を示す模式分解図を図14に示す。図13および図14を参照することで、これまでに説明した電極−膜−枠接合体1の構造を容易に理解することができる。
Here, the structure of the electrode-membrane-
次に電極−膜−枠接合体1の製造方法について説明する。図7A、図7B、図7C、図7D、および図7Eは、本第1実施形態の電極−膜−枠接合体1の各製造工程を概略的に示す製造工程図である。
Next, the manufacturing method of the electrode-membrane-
まず、図7Cに示すように、高分子電解質膜5Aの中央部両面、すなわち周縁部を露出させるようにしてその内側における両面に触媒層5Bをそれぞれ形成する。次に、このように形成された触媒層5Bの表面全体を覆うように拡散層5Cを形成する。このとき、拡散層5Cは、触媒層5Bの周縁を含む全表面を覆うように、触媒層5Bの周縁よりも僅かの外側に突出するように形成される。
First, as shown in FIG. 7C, catalyst layers 5B are respectively formed on both inner surfaces of the
具体的には触媒層5Bは、例えば、以下のようにして形成する。ケッチェンブラックEC(KETJENBLACK INTERNATIONAL社製ファーネスブラック、比表面積800m2/g、DPB給油量360ml/100g)に、白金を重量比1:1の割合で担持させる。次に、この触媒粉末10gに水35g及び水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液(旭硝子株式会社製、9%FSS)59gを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作製する。そして、この触媒層インクを高分子電解質膜5Aの両主面に20μmの厚みにスプレー塗工し、その後115℃において20分間熱処理して、触媒層5Bが形成される。なお。スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに120mm×120mmの開口部を持つマスクを被せて行っている。ここで、高分子電解質膜5Aには、外径寸法が140mm角、厚さ50μmのパーフルオロカーボンスルホン酸膜(DUPONT Nafion117(登録商標))が用いられている。また、高分子電解質膜5Aの周縁部には、第1の枠体6Aの段部6Cに設けられたリブ8Aにはめ込むための孔(貫通孔)5Eが形成される。この孔5Eは、第1の枠体6Aの段部6CにMEA5を配置する際に、位置決め用の孔5Eとして機能するとともに、位置決めされた状態のMEA5を第1の枠体6Aの仮保持させておく機能をも有する。
Specifically, the
次いで、触媒層5Bの上に拡散層5Cを形成する。拡散層5Cは、微細な孔部を多数有
する多孔質体によって構成されている。これによって、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが穴
部に侵入することによって、それらガスが拡散して、触媒層5Bに到達しやすくなる。本
第1実施形態においては、例えば123mmの炭素繊維布(JAPAN GORE-TEX社製Carbel CL400、厚み400μm)を触媒層5Bが付されている高分子電解質膜5Aの両主面に被せる。そして、この炭素繊維布を圧力0.5MPa、135℃、5分間の条件でホットプレスすることによって、高分子電解質膜5Aの両主面の触媒層5Bの上に接合するようにして拡散層5Cが形成される。
Next, a
図7Aに示すように、第1の枠体6Aは、熱可塑性樹脂材料を用いて、射出成形により形成される。その後、第1の枠体6Aにおいて、内側ガスケット7D、外側ガスケット7E、ガス回り込み防止部7B、ガスクロスリーク防止部7Aが成形される。
As shown in FIG. 7A, the
図7Bに示すように、第2の枠体6Bも、熱化成樹脂材料を用いて、射出成形により形成される。その後、第2の枠体6Bにおいて、内側ガスケット7D、ガス回り込み防止部7B、ガスクロスリーク防止部7Aが成形される。
As shown in FIG. 7B, the
このように形成されたMEA5、第1の枠体6A、及び第2の枠体6Bを準備する。その後、図7Dに示すように、第1の枠体6Aの段部6C上に形成されたそれぞれのリブ8Aに、MEA5の周縁部に形成された孔5Eを嵌め合わすことにより、MEA5の位置決めを行いながら、第1の枠体6Aの段部6C上にMEA5の周縁部を配置する。その後、第1の枠体6Aのリブ8Aに、第2の枠体6Bの孔8Bを係合させて、第1の枠体6Aに第2の枠体6Bを嵌合させる。MEA5の周縁部が第1及び第2の枠体6A,6Bにより挟まれて保持され、電極−膜−枠接合体1が組み立てられる。その後、組み立てられた電極−膜−枠接合体1をそれぞれのセパレータ2,3により挟み込むことで、セル10が完成する。
The
上述のように、本第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1の製造方法では、第1及び第2の枠体6A,6Bの金型による成形を、MEA5とは関係なく行うことができる。すなわち、枠体6を成形する金型内に、MEA5を配置する必要がないため、MEA5が熱的に損傷することを防止することができる。さらに、枠体成形における成形不良が生じたような場合であっても、MEA5が無駄になるようなこともない。また、電極−膜−枠接合体1において、ガスケット7や枠体6A,6Bに不良が発見されたような場合であっても、枠体6A,6Bを分解することでMEA5を取り外すことができるため、MEA5が無駄にならないようにすることができる。従って、確実なシール性やマニフォルドの形成などの利点を有する電極−膜−枠接合体を、高い歩留まりにて製造することが可能となる。
As described above, in the method for manufacturing the electrode-membrane-
(第2実施形態)
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第2の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体51の模式平面図を図8に示し、第1の枠体の上面図を図9に、第2の枠体の上面図を図10に示す。さらに、図8の電極−膜−枠接合体51におけるC−C’線断面図を図11に示し、D−D’線断面図を図12に示す。なお、本第2実施形態の電極−膜−枠接合体51において、上記第1実施形態と同じ構成部材には同じ参照符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement with another various aspect. For example, a schematic plan view of an electrode-membrane-
図8、図9、図10、図11、および図12より明らかなように、本第2実施形態の電極−膜−枠接合体51では、ガスケット7が2重構造ではなく、1重構造(特に、図11参照)とされている点において、上記第1実施形態とは異なっている。また、図12に示すように、本第2実施形態の電極−膜−枠接合体51では、各種マニフォルド孔(例えば14)の形成位置にまで、高分子電解質膜5Aが配置されている。そのため、その周囲を確実にシールすることを目的として、貫通孔6D及びガスクロスリーク防止部7Aが各種マニフォルド孔の周囲全体に渡って配置されている。
8, 9, 10, 11, and 12, in the electrode-membrane-
このような本第2実施形態のような構造においても、上記第1実施形態と同様な効果を得ることができ、確実なシール性とマニフォルド形成の利点を有する電極−膜−枠接合体を、高い歩留まりにて製造することが可能となる。また、本第2実施形態の構造では、ガスケットが1重構造とされていることにより、セパレータの外周部分の寸法を小さくすることができ、セパレータサイズの小型化、さらに燃料電池スタックの小型化を図ることができる。 Even in such a structure as in the second embodiment, an electrode-membrane-frame assembly that can obtain the same effects as in the first embodiment and has the advantages of reliable sealing performance and manifold formation, It becomes possible to manufacture with a high yield. In the structure of the second embodiment, since the gasket has a single structure, the size of the outer peripheral portion of the separator can be reduced, the separator size can be reduced, and the fuel cell stack can be further reduced. Can be planned.
上記それぞれの実施形態では、第1の枠体6Aのリブ8Aが、第2の枠体6Bの孔8Bに嵌め合わされる、すなわちリブ8Aと孔8Bとの嵌合構造を採用することにより、第1の枠体6Aと第2の枠体6Bとが係合され、さらに両者の係合を解除可能として、MEA5を第1の枠体6Aおよび第2の枠体6Bとにより保持させるような場合について説明した。すなわち、上述のような嵌合構造を、MEA5を解除可能に保持する保持手段の一例として採用するような場合について説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されるものではない。
In each of the above embodiments, the
例えば、このような嵌合構造としては、突起と孔という形態に限られず、従来において用いられている様々な機械的な嵌合構造を採用することができる。さらに、このような嵌合構造において、例えば、図15の模式図に示すように、リブ58Aと孔58Bとの嵌合状態をより強固にしながら、嵌合状態を解除可能とするような係止構造59Aおよび59Bを採用することもできる。
For example, such a fitting structure is not limited to the form of protrusions and holes, and various mechanical fitting structures conventionally used can be employed. Furthermore, in such a fitting structure, for example, as shown in the schematic diagram of FIG. 15, the fitting state between the
また、MEA5を解除可能に保持する保持手段は、第1および第2の枠体6Aおよび6BによりMEA5の周縁部を保持して、その保持状態を維持する機能と、保持の解除を望む場合に、保持状態を解除して、MEA5を離脱させることが可能な機能とを合わせて有するような手段であれば良く、様々な形態の手段を採用することができる。例えば、第1および第2の枠体6Aおよび6Bとは別の部材を用いて、第1および第2の枠体6Aおよび6Bの係合を解除可能に行うようにすることもできる。このような部材、すなわち係合部材としては、例えば、係合用ボルトやピン状の部材などを用いることができる。
The holding means for holding the
また、上記それぞれの実施形態では、ガスケット7(例えば、内側ガスケット7Dおよび外側ガスケット7E)が、第1の枠体6Aおよび第2の枠体6B上に形成されているような場合について説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されるものではない。ガスケット7は、セパレータ2、3とそれぞれの枠体6A、6Bとの間に配置されていれば良い。例えば、セパレータ2、3の表面にガスケット7が形成されているような場合であっても良く、また、ガスケット7がセパレータ2、3および枠体6A、6Bとは別体の部材として存在するような場合であっても良い。すなわち、第1および第2の枠体6Aおよび6Bの表面にガスケット7が形成されていないような構成を採用することもできる。
In each of the above embodiments, the case where the gasket 7 (for example, the
また、第1の枠体6Aおよび第2の枠体6Bの形成材料としては、熱可塑性樹脂材料の他に、熱硬化性樹脂材料、セラミック材料など様々な材料を用いることができる。
In addition to the thermoplastic resin material, various materials such as a thermosetting resin material and a ceramic material can be used as the material for forming the
また、上記それぞれの実施形態の電極−膜−枠接合体1(あるいは51)の構造を採用することにより、例えば、電極−膜−枠接合体1が製造された後、電極−膜−枠接合体1の良否検査を行って、検査の結果、不良であると判断された場合には、不良と判断された電極−膜−枠接合体1において、第1の枠体6Aと第2の枠体6Bとの嵌め合いを解除して、MEA5を離脱させることができる。このように離脱されたMEA5自体には、不良が存在しない場合には、このMEA5を再利用して、別の電極−膜−枠接合体1を製造することができる。
Further, by adopting the structure of the electrode-membrane-frame assembly 1 (or 51) of each of the above embodiments, for example, after the electrode-membrane-
なお、上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。 It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。 Although the present invention has been fully described in connection with preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications are to be understood as being included therein, so long as they do not depart from the scope of the present invention according to the appended claims.
本発明は、高分子電解質型燃料電池の組立状態において、MEA周縁における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断することができ、さらに燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができるとともに、製造における歩留まりを高めることができるため、コージェネレーションシステムや電気自動車などに用いられる燃料電池として有用である。 The present invention can block the flow of fuel gas and oxidant gas at the periphery of the MEA in the assembled state of the polymer electrolyte fuel cell, and can further improve the utilization efficiency of the fuel gas and oxidant gas. Since the production yield can be increased, it is useful as a fuel cell used in a cogeneration system or an electric vehicle.
1 電極−膜−枠接合体
2 アノードセパレータ
3 カソードセパレータ
4 ボルト孔
5 MEA(膜電極接合体)
5A 高分子電解質膜
5B 触媒層
5C 拡散層
5D 電極層
5E 孔
6 枠体
6A 第1の枠体
6B 第2の枠体
7 ガスケット
7A ガスクロスリーク防止部
7B ガス回り込み防止部
7C リブ
7D 内側ガスケット
7E 外側ガスケット
8A リブ
8B 孔
10 セル
12,22,32 燃料ガスマニフォルド孔
13,23,33 酸化剤ガスマニフォルド孔
14,24,34 水マニフォルド孔
21 燃料ガス流路溝
31 酸化剤ガス流路溝
100 PEFC
1 Electrode-membrane-
5A
Claims (19)
上記膜電極接合体の周縁部の一方の面に配置された第1の枠体と、
上記膜電極接合体の周縁部の他方の面に配置されて、上記第1の枠体との間で上記膜電極接合体の周縁部を挟んで保持する第2の枠体とを備え、
一対のセパレータの間に挟まれて配置されることにより、燃料電池における単電池モジュールを構成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体。 A membrane electrode assembly;
A first frame disposed on one surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly;
A second frame disposed on the other surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly and holding the peripheral edge of the membrane electrode assembly with the first frame;
An electrode-membrane-frame assembly for a polymer electrolyte fuel cell that constitutes a unit cell module in a fuel cell by being sandwiched between a pair of separators.
上記一対の電極層から露出された上記高分子電解質膜の周縁部が、上記第1および第2の枠体により挟まれて保持される、請求項1から4のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体。 The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes that are disposed on both surfaces inside the periphery so as to expose the periphery of the polymer electrolyte membrane and bonded to the polymer electrolyte membrane And having a layer
The fuel according to any one of claims 1 to 4, wherein a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane exposed from the pair of electrode layers is sandwiched and held by the first and second frames. Electrode-membrane-frame assembly for battery.
上記第2の枠体と他方の上記セパレータとの間で封止を行うセパレータ用封止部材が、上記第2の枠体のセパレータ側表面に配置されている、請求項1から5のいずれか1つに記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体。 A separator sealing member that seals between the first frame and one of the separators is disposed on the separator-side surface of the first frame,
The separator sealing member for sealing between the second frame and the other separator is disposed on the separator-side surface of the second frame. The electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to one.
上記第1及び第2の枠体において、上記セパレータ側表面と上記膜側表面とを貫通する貫通孔が形成され、上記貫通孔内に充填された封止部材により、上記セパレータ側の表面の上記セパレータ用封止部材と上記膜側表面の上記膜用封止部材とが一体的に接続されている、請求項6に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体。 Between each membrane side surface facing the peripheral edge side of the membrane electrode assembly in the first frame body and the second frame body, between the membrane side surface and the peripheral edge portion of the membrane electrode assembly. A sealing member for a film to be sealed is disposed,
In the first and second frame bodies, a through-hole penetrating the separator-side surface and the membrane-side surface is formed, and the sealing member filled in the through-hole allows the surface on the separator-side to The electrode-membrane-frame assembly for a fuel cell according to claim 6, wherein the separator sealing member and the membrane sealing member on the membrane side surface are integrally connected.
膜電極接合体と、第1の枠体と、第2の枠体とを準備し、
上記膜電極接合体の周縁部の一方に面に上記第1の枠体を配置するとともに、上記膜電極接合体の周縁部の他方の面に上記第2の枠体を配置して、上記第1および第2の枠体により上記膜電極接合体の周縁部を挟んで保持させて、電極−膜−枠接合体を形成する、高分子電解質型燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法。 A method for producing an electrode-membrane-frame assembly for a polymer electrolyte fuel cell that constitutes a unit cell module in a fuel cell by being sandwiched between a pair of separators,
Preparing a membrane electrode assembly, a first frame, and a second frame;
The first frame is disposed on one surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly, and the second frame is disposed on the other surface of the peripheral edge of the membrane electrode assembly. An electrode-membrane-frame assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein an electrode-membrane-frame assembly is formed by holding the peripheral portion of the membrane electrode assembly with the first and second frames sandwiched therebetween. Production method.
不良であると判断された場合に、上記第1および第2の枠体による嵌合を解除して、上記膜電極接合体を回収する、請求項16に記載の燃料電池用の電極−膜−枠接合体の製造方法。 Whether or not the electrode-membrane-frame assembly is defective after forming the electrode-membrane-frame assembly by holding the periphery of the membrane-electrode assembly by the first and second frames. Judgment
The electrode-membrane- for fuel cell according to claim 16, wherein when it is judged as defective, the fitting by the first and second frames is released and the membrane electrode assembly is recovered. Manufacturing method of frame joined body.
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