JP2006164659A - Fuel battery cell - Google Patents

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JP2006164659A JP2004352263A JP2004352263A JP2006164659A JP 2006164659 A JP2006164659 A JP 2006164659A JP 2004352263 A JP2004352263 A JP 2004352263A JP 2004352263 A JP2004352263 A JP 2004352263A JP 2006164659 A JP2006164659 A JP 2006164659A
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Tetsuo Mitani
徹男 三谷
Osamu Hiroi
治 廣井
Muneaki Mukuda
宗明 椋田
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery cell capable of handling a fuel battery cell with an electrode/electrolyte membrane assembly arranged between separators integrally as an assembled component, and capable of improving assembling property of a fuel battery cell stack with good productivity, by realizing both sealing of an electrode/electrolyte membrane assembly peripheral edge part and integration of the electrode/electrolyte membrane assembly with the separators with the same member. <P>SOLUTION: The fuel battery cell is provided with a junction 4 formed by successively laminating an anode collector, anode catalyst layer, electrolyte membrane, cathode catalyst layer and cathode collector; a pair of separators 1, 2 set in opposition pinching the junction and formed in a manner of more expanding than the junction in an opposing direction; and resin 5 injected in a gap between enlarged parts 1a, 1b for jointing the junction and the separators. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高分子電解質膜を用いた燃料電池セルに関し、特にその構造に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, and more particularly to its structure.

従来技術1.
従来の燃料電池セルにおいては、例えば特許文献1「燃料電池セパレータ組立シール構造」に示されるように、反応電極部を挟み込む複数のセパレータに互いに連通するように空間部を設け、前記空間部にゴム、液状ゴムまたは熱可塑性エラストマー等よりなる成形材を注入成形することによって前記複数のセパレータを互いに重ね合わせた状態で一体化している。このように構成されたものにおいては、電極/電解質膜接合体を挟み込んだこの複数のセパレータを組立済み部品として一体に取り扱うことが可能となり、燃料電池スタックの組立性を向上させることができる旨、記載されている。
Prior art
In a conventional fuel cell, for example, as shown in Patent Document 1 “Fuel Cell Separator Assembly Seal Structure”, a space portion is provided so as to communicate with a plurality of separators sandwiching a reaction electrode portion, and a rubber portion is provided in the space portion. The plurality of separators are integrated with each other by injection molding a molding material made of liquid rubber or thermoplastic elastomer. In such a configuration, it is possible to integrally handle the plurality of separators sandwiching the electrode / electrolyte membrane assembly as an assembled part, and to improve the assemblability of the fuel cell stack, Are listed.

従来技術2.
また、従来の別の燃料電池セルにおいては、例えば特許文献2「高分子電解質型燃料電池用シール構造及びその製造方法」に示されるように、アノード集電体、アノード触媒層、イオン交換膜、カソード触媒層、カソード集電体よりなる5層構造の集電体の周囲に、シール材が重なるように一体化されている。このように構成されたものにおいては、セルスタックを積層する時の部品点数を減らし、確実なセッティングができると共に、膜厚が薄い場合にも機械的強度を高めることができ、さらにガスを加圧してもシール部のガスリークを無くし、出力を向上することのできる旨、記載されている。
Prior art 2.
Further, in another conventional fuel cell, for example, as shown in Patent Document 2 “Polymer electrolyte type fuel cell seal structure and manufacturing method thereof”, an anode current collector, an anode catalyst layer, an ion exchange membrane, A sealant is integrated so as to overlap a current collector having a five-layer structure including a cathode catalyst layer and a cathode current collector. In such a configuration, the number of parts when stacking the cell stack can be reduced, the setting can be made reliably, the mechanical strength can be increased even when the film thickness is thin, and the gas is pressurized. However, it is described that the gas leakage at the seal portion can be eliminated and the output can be improved.

特開2001−338673号公報(第18〜19段落、図1および図3)JP 2001-338673 A (18th to 19th paragraphs, FIGS. 1 and 3) 特開平8−45517号公報(第6段落、図2および図3)JP-A-8-45517 (6th paragraph, FIGS. 2 and 3)

しかしながら、従来技術1では、反応電極部(電極/電解質膜接合体)周縁部のシールは、電極/電解質膜接合体における拡大形成された電解質膜の周縁部に、ゴム状弾性材製のガスケットを配置したり、液状ゴム硬化物を塗布したりして実現されており、電極/電解質膜接合体とセパレータとの一体化は、複数のセパレータに互いに連通する空間部に成形材を注入成形することより実現されている。
このように、電極/電解質膜接合体周縁部のシールと電極/電解質膜接合体とセパレータとの一体化とが別々の工程で行われている。したがって、工程数を削減できず、組立性の向上はあまり期待できない。また、電解質膜の周縁部に液状ゴム硬化物を塗布することは、塗布量や塗布条件の管理も必要になるため、組立性の向上を妨げる要因となる。
However, in the prior art 1, the seal at the periphery of the reaction electrode portion (electrode / electrolyte membrane assembly) is formed by attaching a rubber elastic material gasket to the periphery of the enlarged electrolyte membrane in the electrode / electrolyte membrane assembly. The integration of the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator is achieved by injection molding of the molding material into the space that communicates with the plurality of separators. More realized.
As described above, the sealing of the peripheral portion of the electrode / electrolyte membrane assembly and the integration of the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator are performed in separate steps. Therefore, the number of processes cannot be reduced, and improvement in assemblability cannot be expected so much. In addition, applying a liquid rubber cured product to the peripheral edge of the electrolyte membrane also requires management of the application amount and application conditions, which hinders improvement in assemblability.

また、特許文献2では、集電体(電極/電解質膜接合体)周縁部のシールは、シール材を用いて電極/電解質膜接合体の周囲にシール材が重なるように一体化することにより実現されており、電極/電解質膜接合体とセパレータとの一体化は、セルスタックの積層時に接着剤または液状ゴムシール材を塗布し、セルスタックを締結した後、硬化処理を施すことによって実現されている。
このように、電極/電解質膜接合体とセパレータとの一体化はセルスタック積層時に行っており、セルスタック積層に際しては電極/電解質膜接合体とセパレータとはそれぞれ別部品とされているために、燃料電池組立(セルスタック積層)に多大な工数を要している。さらに、セルスタック積層時に接着剤または液状ゴムシール材を用いることは、組立時の工程が増加する上に、塗布量や塗布条件の管理も必要になるため、電極/電解質膜接合体周縁部のシールを電極/電解質膜接合体と一体化することによる組立性向上効果はあまり期待できない。
Further, in Patent Document 2, the seal at the periphery of the current collector (electrode / electrolyte membrane assembly) is realized by using a seal material and integrating the seal material so that the seal material overlaps around the electrode / electrolyte membrane assembly. The integration of the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator is realized by applying an adhesive or a liquid rubber sealing material at the time of stacking the cell stack, fastening the cell stack, and then performing a curing process. .
Thus, the integration of the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator is performed at the time of stacking the cell stack, and since the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator are separate components at the time of stacking the cell stack, A lot of man-hours are required for fuel cell assembly (cell stack lamination). Furthermore, the use of an adhesive or liquid rubber sealant when stacking cell stacks increases the number of assembly steps and requires management of the coating amount and coating conditions. The effect of improving the assemblability by integrating the electrode with the electrode / electrolyte membrane assembly cannot be expected.

本発明は、上記のような従来のものの課題を解消するためになされたものであり、セパレータ間に電極/電解質膜接合体を配置した燃料電池セルを組立済み部品として一体に取り扱うことができ、燃料電池セルスタックの組立性を向上させることができる燃料電池セルを、電極/電解質膜接合体周縁部のシールと電極/電解質膜接合体とセパレータとの一体化とを同一部材で同時に実現することにより、生産性良く提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and can integrally handle a fuel cell in which an electrode / electrolyte membrane assembly is arranged between separators as an assembled part, A fuel cell capable of improving the assembly of the fuel cell stack is realized by simultaneously using the same member to seal the periphery of the electrode / electrolyte membrane assembly and the integration of the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator. Therefore, it aims at providing with good productivity.

本発明に係る燃料電池セルは、アノード集電体、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層およびカソード集電体を順に積層した接合体(以下、電極/電解質膜接合体と言う。)と、上記電極/電解質膜接合体を挟んで対向配置され、上記電極/電解質膜接合体よりも上記対向面方向に拡大形成された拡大形成部を有する対をなすセパレータと、上記対をなすセパレータの拡大形成部間の隙間に注入され、上記電極/電解質膜接合体と上記セパレータとを接合する樹脂とを備えたものである。   A fuel cell according to the present invention includes a joined body in which an anode current collector, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode current collector are sequentially laminated (hereinafter referred to as an electrode / electrolyte membrane joined body). A pair of separators that are disposed opposite to each other with the electrode / electrolyte membrane assembly sandwiched therebetween, and have an enlarged formation portion that is enlarged in the opposing surface direction than the electrode / electrolyte membrane assembly, and an enlargement of the pair of separators The resin is injected into the gap between the forming portions and includes a resin that joins the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator.

本発明によれば、対をなすセパレータの拡大形成部間の隙間に樹脂を注入して、電極/電解質膜接合体とセパレータとを接合したので、セパレータ間に電極/電解質膜接合体を配置した燃料電池セルを組立済み部品として一体に取り扱うことができ、燃料電池セルスタックの組立性を向上させることができる燃料電池セルを、電極/電解質膜接合体周縁部のシールと電極/電解質膜接合体とセパレータとの一体化とを同一部材で同時に実現することにより、生産性良く提供することができる。   According to the present invention, since the resin is injected into the gap between the enlarged formation portions of the paired separator and the electrode / electrolyte membrane assembly and the separator are joined, the electrode / electrolyte membrane assembly is disposed between the separators. A fuel cell that can handle a fuel cell as an assembled part and can improve the assemblability of a fuel cell stack is obtained by combining a seal at the periphery of an electrode / electrolyte membrane assembly and an electrode / electrolyte membrane assembly. Can be provided with good productivity by simultaneously realizing the integration of the separator and the separator with the same member.

実施の形態1.
図1〜図3は本発明の実施の形態1による燃料電池セルを説明するための図であり、より具体的には、図1は燃料電池セルの構成を示す縦断面図、図2は燃料電池セルの製造工程を示す縦断面図、図3は燃料電池セルを一方のセパレータ(カソード側セパレータ)側から見た平面図である。図1は図3のA−A’線での断面図である。
Embodiment 1 FIG.
1-3 is a figure for demonstrating the fuel battery cell by Embodiment 1 of this invention, More specifically, FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of a fuel battery cell, FIG. 2 is a fuel. FIG. 3 is a plan view of a fuel cell as viewed from one separator (cathode side separator) side. 1 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.

本実施の形態による燃料電池セルは、電極/電解質膜接合体4と、対をなすセパレータ(アノード側およびカソード側セパレータ)1および2と、樹脂5とを備えて構成されている。
電極/電解質膜接合体4は、アノード集電体、アノード触媒層(図1ではアノード集電体とアノード触媒層を4aで示している。)、電解質膜4b、カソード触媒層およびカソード集電体(図1ではカソード触媒層とカソード集電体を4cで示している。)を順に積層して構成している。
The fuel battery cell according to the present embodiment includes an electrode / electrolyte membrane assembly 4, separators (anode side and cathode side separators) 1 and 2 and a resin 5.
The electrode / electrolyte membrane assembly 4 includes an anode current collector, an anode catalyst layer (in FIG. 1, the anode current collector and the anode catalyst layer are indicated by 4a), an electrolyte membrane 4b, a cathode catalyst layer, and a cathode current collector. (In FIG. 1, the cathode catalyst layer and the cathode current collector are indicated by 4c.) Are sequentially laminated.

対をなすセパレータ1、2は、電極/電解質膜接合体4を挟んで対向配置され、電極/電解質膜接合体4よりも対向面方向(対をなすセパレータ1、2の対向面に平行な方向)に拡大形成されている。すなわち、各セパレータ1、2は電極/電解質膜接合体4よりひと回り大きく形成されている。
アノード側セパレータ1には、電極/電解質膜接合体4と隣接する面に燃料を流すためのアノードガス流路(以下、燃料流路ということもある。)3aが設けられ、反対側の面に冷却水などの冷却用流体を流すための冷却流路(以下、冷却水流路ということもある。)3bが設けられている。また、カソード側セパレータ2には、電極/電解質膜接合体4と隣接する面に空気などの酸化剤を流すためのカソードガス流路(以下、空気流路ということもある。)3cが設けられている。
また、図1および図3に示すように、対向配置された対をなすセパレータ1、2の拡大形成された拡大形成部1a、2aには、セパレータ1と2間で互いに連通するようにマニホ−ルド用貫通穴6が設けられている。
The separators 1 and 2 forming a pair are arranged to face each other with the electrode / electrolyte membrane assembly 4 interposed therebetween, and are opposed to the electrode / electrolyte membrane assembly 4 (the direction parallel to the opposing surface of the paired separators 1 and 2). ) Is enlarged. That is, each separator 1, 2 is formed slightly larger than the electrode / electrolyte membrane assembly 4.
The anode-side separator 1 is provided with an anode gas flow path (hereinafter also referred to as a fuel flow path) 3a for flowing fuel to a surface adjacent to the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and on the opposite surface. A cooling flow path (hereinafter also referred to as a cooling water flow path) 3b for flowing a cooling fluid such as cooling water is provided. Further, the cathode separator 2 is provided with a cathode gas flow path (hereinafter also referred to as an air flow path) 3 c for flowing an oxidant such as air on the surface adjacent to the electrode / electrolyte membrane assembly 4. ing.
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the enlarged formed portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 forming a pair of opposingly arranged pairs are connected to the manifolds so as to communicate with each other between the separators 1 and 2. A through-hole 6 for a mold is provided.

樹脂5は、電極/電解質膜接合体4の周囲に形成される、セパレータ1、2の拡大形成部1aと2a間の隙間に注入され、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2とを接合して一体化している。   The resin 5 is injected into the gap between the enlarged formation portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 formed around the electrode / electrolyte membrane assembly 4 to connect the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 together. It is joined and integrated.

このように、本実施の形態では、電極/電解質膜接合体4の周囲に形成される、セパレータ1、2の拡大形成部1aと2a間の隙間に樹脂5を注入することにより、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2とを接合して一体化しているので、セパレータ1、2間に電極/電解質膜接合体4を配置した燃料電池セルを組立済み部品として一体に取り扱うことができ、燃料電池セルスタックの組立性を向上させることができる。また、一体化することによりシール性が良好になり信頼性の向上が図れる。さらに、電極/電解質膜接合体4周縁部のシールと、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2との一体化とを、同一部材で同時に実現することができ、燃料電池セルを簡単な製造工程で提供することができる。すなわち、燃料電池セルの生産性が向上する。   As described above, in this embodiment, the electrode / electrolyte is injected by injecting the resin 5 into the gap between the enlarged formation portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 formed around the electrode / electrolyte membrane assembly 4. Since the membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 are joined and integrated, the fuel cell in which the electrode / electrolyte membrane assembly 4 is arranged between the separators 1 and 2 can be handled as an assembled part. Assembling property of the fuel cell stack can be improved. Further, by integrating, the sealing property becomes good and the reliability can be improved. Furthermore, the seal at the periphery of the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the integration of the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 can be realized simultaneously with the same member, and the fuel cell can be simplified. It can be provided in the manufacturing process. That is, the productivity of the fuel cell is improved.

また、本実施の形態では、図1および図3に示すように、対向配置された対をなすセパレータ1、2の拡大形成部1a、2aには、互いに連通するように一体化用貫通穴7が設けられ、一体化用貫通穴7にも樹脂5が注入されている。これにより、樹脂5のセパレータ1、2との密着性を向上させることができ、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2とを確実に一体化することができる。
なお、図では、セパレータ1、2を貫通する一体化用貫通穴7を設けた場合を記載しているが、セパレータ1、2を貫通していなくてもよい。要は、対向配置された対をなすセパレータ1、2の拡大形成部1a、2aに、互いに連通するように空間部が設けられればよい。
Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the enlargement forming portions 1a and 2a of the opposing separators 1 and 2 are connected to the integration through holes 7 so as to communicate with each other. And the resin 5 is also injected into the through hole 7 for integration. Thereby, the adhesiveness with the separators 1 and 2 of the resin 5 can be improved, and the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 can be reliably integrated.
In addition, although the figure has shown the case where the through-hole 7 for integration which penetrates the separators 1 and 2 is provided, it does not need to penetrate the separators 1 and 2. In short, it is only necessary to provide space portions so as to communicate with the enlarged formation portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 forming a pair opposed to each other.

さらに、一体化用貫通穴(空間部)7の少なくとも一部7aは、その開口断面積がセパレータ1と2の対向面に近い側よりも遠い側で大きくなるように形成されている。この部分7aをアンダーカット部と言う。これにより、樹脂5がセパレータ1、2の一体化用貫通穴(空間部)7から抜けるのを防止でき、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2とをより確実に一体化することができる。
なお、アンダーカット部7aの形状は図のように円錐形状に限らず、階段状であってもよい。また、図では、アンダーカット部7aは一体化用貫通穴(空間部)7の端部に設けられているが、途中に設けられてもよい。
また、図では、拡大形成部1aに設けられた一体化用貫通穴(空間部)7と拡大形成部2aに設けられた一体化用貫通穴(空間部)7との両方の一体化用貫通穴(空間部)7にアンダーカット部7aを設けた場合を示しているが、一方の一体化用貫通穴(空間部)7のみにアンダーカット部7aを設けてもよい。
Further, at least a part 7 a of the integration through hole (space portion) 7 is formed such that the opening cross-sectional area thereof is larger on the side farther from the side closer to the opposing surfaces of the separators 1 and 2. This part 7a is called an undercut part. Thereby, it is possible to prevent the resin 5 from coming off from the through holes (space portions) 7 for integrating the separators 1 and 2, and the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 can be more reliably integrated. it can.
In addition, the shape of the undercut part 7a is not restricted to a cone shape as shown in the figure, but may be a stepped shape. In the figure, the undercut portion 7a is provided at the end of the integration through hole (space portion) 7, but may be provided in the middle.
Also, in the figure, both the through holes for integration (space portions) 7 provided in the enlarged formation portion 1a and the through holes for integration both of the through holes for integration (space portions) 7 provided in the enlarged formation portion 2a are shown. Although the case where the undercut part 7a is provided in the hole (space part) 7 is shown, the undercut part 7a may be provided only in one integration through hole (space part) 7.

また、本実施の形態では、セパレータ1、2の樹脂5と接する面には凹凸(図1では凹部8であるが、凸部、あるいは凹部と凸部の両方であってもよい。)が設けられている。これにより、樹脂5のセパレータ1、2との密着性を向上させることができ、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2とを確実に一体化することができる。   Further, in the present embodiment, the surfaces of the separators 1 and 2 that are in contact with the resin 5 are provided with irregularities (in FIG. 1, the concave portions 8, but may be convex portions or both concave portions and convex portions). It has been. Thereby, the adhesiveness with the separators 1 and 2 of the resin 5 can be improved, and the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 can be reliably integrated.

なお、樹脂としては、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、オレフィン系熱可塑性エラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー等を用いることができる。これらの樹脂は、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2を強く結合させることによる確実な一体化と微小な変形を許容することによる良好なシール性を両立させるために、引張弾性率が1MPaから1000MPaの範囲にあることが望ましい。   The resin includes olefin resin, styrene resin, polyester resin, polyamide resin, olefin thermoplastic elastomer, styrene thermoplastic elastomer, polyester thermoplastic elastomer, polyurethane thermoplastic elastomer, polyvinyl chloride. A thermoplastic elastomer, a polyamide-type thermoplastic elastomer, etc. can be used. These resins have a tensile elastic modulus in order to achieve both good integration by securely bonding the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2 and good sealing performance by allowing minute deformation. It is desirable to be in the range of 1 MPa to 1000 MPa.

特に、オレフィン系樹脂、オレフィン系熱可塑性エラストマーおよびスチレン系熱可塑性エラストマーのうちの何れか1つあるいは複数の混合物を用いることにより、耐熱水性を向上できる。
オレフィン系樹脂としては、ポリプロピレン樹脂、高密度ポリエチレン樹脂、低密度ポリエチレン樹脂、シンジオタクチックポリプロピレン樹脂などが挙げられる。
オレフィン系熱可塑性エラストマーとしては、ソフトセグメントが水素添加ブタジエン系、エチレンプロピレン系のものが挙げられる。
スチレン系熱可塑性エラストマーとしては、スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・水素添加ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレン共重合体、スチレン・水素添加イソプレン・スチレン共重合体、などが挙げられる。
In particular, the hot water resistance can be improved by using any one or a mixture of an olefin resin, an olefin thermoplastic elastomer, and a styrene thermoplastic elastomer.
Examples of the olefin resin include polypropylene resin, high density polyethylene resin, low density polyethylene resin, and syndiotactic polypropylene resin.
Examples of the olefin-based thermoplastic elastomer include those having a soft segment of hydrogenated butadiene and ethylene propylene.
Styrenic thermoplastic elastomers include styrene / butadiene / styrene copolymers, styrene / hydrogenated butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene copolymers, styrene / hydrogenated isoprene / styrene copolymers, etc. Can be mentioned.

次に、図2を用いて本実施の形態による燃料電池セルの製造方法について説明する。
まず、図2(a)に示すように、竪型射出成形機の金型9、10を開き、横断面がマニホールド用貫通穴6の形状である金型ピン13に、マニホールド用貫通穴6を通し、冷却水流路3bと燃料流路3aが設けられたアノード側セパレータ1を金型10にセットする。金型ピン13はマニホールド用貫通穴6に樹脂5が流れ込まないようにするとともに、位置決めピンの役目も兼ねている。
次に、アノード側セパレータ1の中央に、電極/電解質膜接合体4を置き、その上に、空気流路3cが設けられたカソード側セパレータ2を重ねる。
Next, the manufacturing method of the fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 2A, the molds 9 and 10 of the vertical injection molding machine are opened, and the manifold through holes 6 are formed on the mold pins 13 whose cross section is the shape of the manifold through holes 6. Then, the anode separator 1 provided with the cooling water flow path 3b and the fuel flow path 3a is set in the mold 10. The mold pin 13 prevents the resin 5 from flowing into the manifold through hole 6 and also serves as a positioning pin.
Next, the electrode / electrolyte membrane assembly 4 is placed in the center of the anode-side separator 1, and the cathode-side separator 2 provided with the air flow path 3c is placed thereon.

次に、図2(b)に示すように、金型9を閉じ、例えば所定温度に加熱して溶融させた樹脂5を、ランナー11を通って、電極/電解質膜接合体4の周囲に形成される、セパレータ1、2の拡大形成部1aと2a間の隙間に注入(射出成型)し、冷却後に金型から取り出し、ゲート部12で切り離すことにより、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2とが接合され一体化された燃料電池セルを得る。なお、樹脂5として熱硬化性樹脂やゴムを用いた場合は樹脂注入後加熱硬化する。   Next, as shown in FIG. 2B, the mold 9 is closed and, for example, a resin 5 heated to a predetermined temperature and melted is formed around the electrode / electrolyte membrane assembly 4 through the runner 11. The electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separator 1 are injected (injection molding) into the gap between the enlarged forming portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 and taken out from the mold after cooling and separated by the gate portion 12. 2 are joined and integrated to obtain a fuel cell unit. In addition, when a thermosetting resin or rubber is used as the resin 5, the resin 5 is heated and cured after the resin is injected.

なお、上記では熱可塑性樹脂を用いた射出成形について説明したが、これに限るものではなく、例えばトランスファ成形、LIM(Liquid Injection Molding)成形、RIM(Reaction Injection Molding)成形などで熱硬化性樹脂やゴムを注入して成形してもよい。   In addition, although the injection molding using a thermoplastic resin was demonstrated above, it is not restricted to this, For example, transfer molding, LIM (Liquid Injection Molding) molding, RIM (Reaction Injection Molding) molding, etc., thermosetting resin and Rubber may be injected and molded.

実施の形態2.
図4および図5は本発明の実施の形態2による燃料電池セルを説明するための図であり、より具体的には、図4は燃料電池セルの構成および製造工程を示す縦断面図、図5は燃料電池セルを一方のセパレータ(カソード側セパレータ)側から見た平面図である。図4は図5のB−B’線での断面図である。
以下では主に実施の形態1との相違点について説明する。
Embodiment 2. FIG.
4 and 5 are diagrams for explaining a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. More specifically, FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the configuration and manufacturing process of the fuel cell. 5 is a plan view of the fuel cell as viewed from one separator (cathode side separator) side. 4 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG.
In the following, differences from the first embodiment will be mainly described.

本実施の形態では、対向配置された対をなすセパレータ1、2の拡大形成部1a、2aには互いに連通するようにマニホ−ルド用貫通穴6が設けられており、対をなすセパレータ1、2の一方(図4ではカソード側セパレータ2)には、一体化用貫通穴(空間部)7(より詳細には、一体化用貫通穴(空間部)7に注入された樹脂5)と連通して、マニホールド用貫通穴6を取り囲むように樹脂5が突出配置されて、マニホールド用シール部14が形成されている。さらに、対をなすセパレータ1、2の他方(図4ではアノード側セパレータ1)には、マニホールド用貫通穴6を取り囲むように、マニホールド用シール部14に対応する位置に、シール受け部15となる溝が形成されている。
なお、シール受け部15となる溝は無くてもよい。
In the present embodiment, through-holes 6 for manifolds are provided in the enlarged formation portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 that form a pair arranged opposite to each other so as to communicate with each other. 1 (cathode side separator 2 in FIG. 4) communicates with an integration through hole (space portion) 7 (more specifically, resin 5 injected into the integration through hole (space portion) 7). Then, the resin 5 is protruded so as to surround the manifold through-hole 6, and the manifold seal portion 14 is formed. Further, the other of the paired separators 1 and 2 (the anode side separator 1 in FIG. 4) is a seal receiving portion 15 at a position corresponding to the manifold seal portion 14 so as to surround the manifold through hole 6. Grooves are formed.
The groove that becomes the seal receiving portion 15 may be omitted.

このように構成されたものにおいては、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2との一体化と同時にマニホールド用シール部14を形成することができるので、後でO−リング等のシール部材を設置する必要が無くなり、燃料電池スタックの組立性がより向上する。   In such a structure, the manifold seal portion 14 can be formed simultaneously with the integration of the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2, so that a seal member such as an O-ring is formed later. This eliminates the need to install the fuel cell stack and improves the assembly of the fuel cell stack.

また、本実施の形態では、対向配置された対をなすセパレータ1、2の一方(図4ではカソード側セパレータ2)には、一体化用貫通穴(空間部)7(より詳細には、一体化用貫通穴(空間部)7に注入された樹脂5)と連通して、冷却流路3bを取り囲むように樹脂5が突出配置されて、冷却流路用シール部16が形成されている。さらに、対をなすセパレータ1、2の他方(図4ではアノード側セパレータ1)には、冷却流路3bを取り囲むように、冷却流路用シール部16に対応する位置に、シール受け部17となる溝が形成されている。
なお、シール受け部17となる溝は無くてもよい。
In the present embodiment, one of the paired separators 1 and 2 (cathode side separator 2 in FIG. 4) is provided with an integration through hole (space part) 7 (more specifically, integrated). The resin 5, which communicates with the resin 5) injected into the forming through hole (space part) 7, is disposed so as to surround the cooling flow path 3 b, and the cooling flow path seal portion 16 is formed. Further, the other of the paired separators 1 and 2 (the anode side separator 1 in FIG. 4) is provided with a seal receiving portion 17 at a position corresponding to the cooling flow path seal portion 16 so as to surround the cooling flow path 3b. A groove is formed.
The groove that becomes the seal receiving portion 17 may be omitted.

このように構成されたものにおいては、電極/電解質膜接合体4とセパレータ1、2との一体化と同時に冷却流路用シール部16を形成することができるので、後でO−リング等のシール部材を設置する必要が無くなり、燃料電池スタックの組立性がより向上する。   In the structure configured as described above, the cooling flow path seal portion 16 can be formed simultaneously with the integration of the electrode / electrolyte membrane assembly 4 and the separators 1 and 2. There is no need to install a seal member, and the assembly of the fuel cell stack is further improved.

以下、具体的実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Specific examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1.
以下のようにして、実施の形態1で説明した燃料電池セルを作製した。
電極/電解質膜接合体4は、電解質膜4b(旭化成株式会社製、商品名:Aciplex SF1002)を、それぞれアノード触媒ペーストおよびカソード触媒ペーストをコーティングして乾燥した厚さ約0.2mmの集電体となるカーボンペーパー4a、4cで挟み、160℃でホットプレスして作製した。このとき、電解質膜4bはカーボンペーパー4a、4cと同じ大きさあるいはカーボンペーパー4a、4cよりはみ出すようにした。電解質膜4bのカーボンペーパー4a、4cからのはみ出し量は2mm以下とした。得られた電極/電解質膜接合体4の大きさは、約160mm×80mmで厚さ約0.5mmであった。
セパレータ1、2には、黒鉛を熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂に高充填した成形セパレータを用いた。セパレータ1、2の成形時に、ガス流路3a、3c、冷却流路3b、マニホールド用貫通穴6などと共に、凹凸8と、アンダーカット部7aを有する一体化用貫通穴7とを設けた。得られたアノード側セパレータ1の大きさは、約200mm×100mm、厚さ約2mmであり、カソード側セパレータ2の大きさは、約200mm×100mm、厚さ約1.5mmであった。
Example 1.
The fuel battery cell described in Embodiment 1 was produced as follows.
The electrode / electrolyte membrane assembly 4 is formed by coating the electrolyte membrane 4b (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., trade name: Aciplex SF1002) with an anode catalyst paste and a cathode catalyst paste, respectively, and then drying the collector with a thickness of about 0.2 mm. It was sandwiched between carbon papers 4a and 4c to become and hot-pressed at 160 ° C. At this time, the electrolyte membrane 4b has the same size as the carbon papers 4a and 4c or protrudes from the carbon papers 4a and 4c. The amount of protrusion of the electrolyte membrane 4b from the carbon papers 4a and 4c was 2 mm or less. The obtained electrode / electrolyte membrane assembly 4 had a size of about 160 mm × 80 mm and a thickness of about 0.5 mm.
As the separators 1 and 2, molded separators in which graphite was highly filled in a thermosetting resin or a thermoplastic resin were used. When forming the separators 1 and 2, the gas flow paths 3 a and 3 c, the cooling flow path 3 b, the manifold through-hole 6, and the like were provided with the unevenness 8 and the integration through-hole 7 having the undercut portion 7 a. The size of the obtained anode side separator 1 was about 200 mm × 100 mm and the thickness was about 2 mm, and the size of the cathode side separator 2 was about 200 mm × 100 mm and the thickness was about 1.5 mm.

図2で示した金型10に、アノード側セパレータ1、電極/電解質膜接合体4、およびカソード側セパレータ2を順にセットした後、金型9を閉じ、電極/電解質膜接合体4の周囲に形成される、セパレータ1、2の拡大形成部1aと2a間の隙間(凹部8および一体化用貫通穴7を含む。)に、オレフィン系樹脂の一種である高密度ポリエチレン樹脂(京葉ポリエチレン株式会社製、商品名:KEIYOポリエチM6910)を、樹脂温度220℃、金型温度40℃、射出時間1秒で注入して成型し、20秒の冷却時間のあと金型9、10から取り出し、ゲート部12で切り離して図1に示すような燃料電池セルを得た。   After the anode-side separator 1, the electrode / electrolyte membrane assembly 4, and the cathode-side separator 2 are set in this order in the mold 10 shown in FIG. 2, the mold 9 is closed and the electrode / electrolyte membrane assembly 4 is placed around the electrode / electrolyte membrane assembly 4. A high-density polyethylene resin (Kyoyo Polyethylene Co., Ltd.), which is a kind of olefin resin, is formed in the gap between the enlarged forming portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 (including the recess 8 and the through hole 7 for integration) Product name: KEIYO Polyethylene M6910) is injected and molded at a resin temperature of 220 ° C., a mold temperature of 40 ° C. and an injection time of 1 second, and after a cooling time of 20 seconds, it is removed from the molds 9 and 10 and the gate part The fuel cell shown in FIG.

このようにして作製された燃料電池セルをテストベンチにセットし、ゲージ圧で0.3MPaのNガスを一方の電極側のガス流路3aまたは3cに流し、他方の電極側へのガスリークを検査したが、ガスリークは認められなかった。 The fuel cell thus produced is set on a test bench, and a N 2 gas of 0.3 MPa in gauge pressure is allowed to flow through the gas flow path 3a or 3c on one electrode side, and gas leaks to the other electrode side. Upon inspection, no gas leak was observed.

実施例2.
実施例1と同様であるが、樹脂5として、オレフィン系樹脂の一種である通常のポリプロピレン樹脂(出光興産株式会社製、商品名:IDEMITSU PP3056HP)を用いた。樹脂温度250℃、金型温度50℃、射出時間1秒で注入して成形し、20秒の冷却時間のあと金型9、10から取り出し、ゲート部12で切り離して図1に示すような燃料電池セルを得た。
Example 2
Although it is the same as that of Example 1, the normal polypropylene resin (Idemitsu Kosan Co., Ltd. make, brand name: IDEMITSU PP3056HP) which is a kind of olefin resin was used as the resin 5. Injection is performed at a resin temperature of 250 ° C., a mold temperature of 50 ° C., and an injection time of 1 second. After a cooling time of 20 seconds, the resin is taken out from the molds 9 and 10 and cut off at the gate portion 12 and fuel as shown in FIG. A battery cell was obtained.

このようにして作製された燃料電池セルをテストベンチにセットし、ゲージ圧で0.3MPaのNガスを一方の電極側のガス流路3aまたは3cに流し、他方の電極側へのガスリークを検査したが、ガスリークは認められなかった。 The fuel cell thus produced is set on a test bench, and a N 2 gas of 0.3 MPa in gauge pressure is allowed to flow through the gas flow path 3a or 3c on one electrode side, and gas leaks to the other electrode side. Upon inspection, no gas leak was observed.

実施例3.
実施例1と同様であるが、樹脂として、オレフィン系樹脂の一種であるシンジオタクチックポリプロピレン樹脂(エクソン化学株式会社製、商品名:アチーブ1605)を用いた。樹脂温度250℃、金型温度50℃、射出時間1秒で注入して成形し、20秒の冷却時間のあと金型9、10から取り出し、ゲート部12で切り離して図1に示すような燃料電池セルを得た。
Example 3
Although it is the same as that of Example 1, the syndiotactic polypropylene resin (The Exxon Chemical Co., Ltd. make, brand name: Achieve 1605) which is 1 type of olefin resin was used as resin. Injection is performed at a resin temperature of 250 ° C., a mold temperature of 50 ° C., and an injection time of 1 second. After a cooling time of 20 seconds, the resin is taken out from the molds 9 and 10 and cut off at the gate portion 12 and fuel as shown in FIG. A battery cell was obtained.

このようにして作製された燃料電池セルをテストベンチにセットし、ゲージ圧で0.3MPaのNガスを一方の電極側のガス流路3aまたは3cに流し、他方の電極側へのガスリークを検査したが、ガスリークは認められなかった。 The fuel cell thus produced is set on a test bench, and a N 2 gas of 0.3 MPa in gauge pressure is allowed to flow through the gas flow path 3a or 3c on one electrode side, and gas leaks to the other electrode side. Upon inspection, no gas leak was observed.

実施例4.
実施の形態2で説明した燃料電池セルを作製した。
実施例1と同様であるが、セパレータ1、2の成形時に、ガス流路3a、3c、冷却流路3b、マニホールド用貫通穴6などと共に、凹凸8と、アンダーカット部7aを有する一体化用貫通穴7と、マニホールド用シール部14および冷却流路用シール部16形成用の溝と、シール受け部15、17となる溝とを設けた。
また、樹脂5としては、熱可塑性エラストマーであるスチレン系エラストマー(三菱化学株式会社製、商品名:ラバロンSJ8400B)を用いた。図4で示した金型10に、アノード側セパレータ1、電極/電解質膜接合体4、およびカソード側セパレータ2を順にセットした後、金型9を閉じ、電極/電解質膜接合体4の周囲に形成される、セパレータ1、2の拡大形成部1aと2a間の隙間(凹部8、一体化用貫通穴7、並びに、マニホールド用シール部14および冷却流路用シール部16形成用の溝を含む。)に、上記樹脂5を樹脂温度220℃、金型温度40℃、射出時間1秒で注入して成型し、20秒の冷却時間のあと金型9、10から取り出し、ゲート部12で切り離して図4に示すような燃料電池セルを得た。
Example 4
The fuel cell described in Embodiment 2 was produced.
Same as Example 1, but when forming the separators 1 and 2, the gas flow paths 3 a and 3 c, the cooling flow path 3 b, the manifold through-hole 6, etc., as well as the unevenness 8 and the undercut portion 7 a are used for integration. A through hole 7, a groove for forming the manifold seal portion 14 and the cooling flow path seal portion 16, and grooves for forming the seal receiving portions 15 and 17 were provided.
Further, as the resin 5, a styrene-based elastomer (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, trade name: Lavalon SJ8400B), which is a thermoplastic elastomer, was used. After the anode-side separator 1, the electrode / electrolyte membrane assembly 4, and the cathode-side separator 2 are set in this order in the mold 10 shown in FIG. 4, the mold 9 is closed and the electrode / electrolyte membrane assembly 4 is placed around the electrode / electrolyte membrane assembly 4. The gap formed between the enlarged forming portions 1a and 2a of the separators 1 and 2 (including the concave portion 8, the through hole 7 for integration, and the grooves for forming the manifold seal portion 14 and the cooling flow path seal portion 16 are formed. The resin 5 is injected and molded at a resin temperature of 220 ° C., a mold temperature of 40 ° C., and an injection time of 1 second. After a cooling time of 20 seconds, the resin 5 is taken out from the molds 9 and 10 and separated by the gate portion 12. Thus, a fuel battery cell as shown in FIG. 4 was obtained.

このようにして作製された燃料電池セルを10枚積層してテストベンチにセットし、ゲージ圧で0.3MPaのNガスを一方の電極側のガス流路3aまたは3cに流し、他方の電極側へのガスリークを検査したが、ガスリークは認められなかった。 Ten fuel cells thus produced were stacked and set on a test bench, and a N 2 gas of 0.3 MPa in gauge pressure was passed through the gas flow path 3a or 3c on one electrode side, and the other electrode The gas leak to the side was examined, but no gas leak was found.

実施例5.
実施例4と同様であるが、樹脂には熱可塑性エラストマーであるオレフィン系エラストマー(アロン化成株式会社製、商品名:エラストマーAR−790)を用いた。樹脂温度220℃、金型温度40℃、射出時間1秒で注入して成形し、20秒の冷却時間のあと金型9、10から取り出し、ゲート部12で切り離して図4に示すような燃料電池セルを得た。
Embodiment 5 FIG.
Although it is the same as that of Example 4, the olefin type elastomer (Aronkasei Co., Ltd. make, brand name: Elastomer AR-790) which is a thermoplastic elastomer was used for resin. Injection is performed at a resin temperature of 220 ° C., a mold temperature of 40 ° C., and an injection time of 1 second. After a cooling time of 20 seconds, the resin is taken out from the molds 9 and 10 and cut off at the gate portion 12 and fuel as shown in FIG. A battery cell was obtained.

このようにして作製された燃料電池セルを10枚積層してテストベンチにセットし、ゲージ圧で0.3MPaのNガスを一方の電極側のガス流路3aまたは3cに流し、他方の電極側へのガスリークを検査したが、ガスリークは認められなかった。 Ten fuel cells thus produced were stacked and set on a test bench, and a N 2 gas of 0.3 MPa in gauge pressure was passed through the gas flow path 3a or 3c on one electrode side, and the other electrode The gas leak to the side was examined, but no gas leak was found.

本発明の実施の形態1による燃料電池セルの構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the fuel battery cell by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による燃料電池セルの製造工程を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the manufacturing process of the fuel battery cell by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による燃料電池セルを一方のセパレータ側から見た平面図である。It is the top view which looked at the fuel cell by Embodiment 1 of this invention from the one separator side. 本発明の実施の形態2による燃料電池セルの構成および製造工程を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure and manufacturing process of the fuel cell by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2による燃料電池セルを一方のセパレータ側から見た平面図である。It is the top view which looked at the fuel cell by Embodiment 2 of this invention from the one separator side.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノード側セパレータ、1a 拡大形成部、2 カソード側セパレータ、2a 拡大形成部、3a アノードガス流路、3b 冷却流路、3c カソードガス流路、4 電極/電解質膜接合体、5 樹脂、6 マニホールド用貫通穴、7 一体化用貫通穴、7a アンダーカット部、8 凹部、9,10 金型、11 ランナー、12 ゲート、13 金型ピン、14 マニホールド用シール部、15 シール受け部、16 冷却流路用シール部、17 シール受け部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode side separator, 1a Expansion formation part, 2 Cathode side separator, 2a Expansion formation part, 3a Anode gas flow path, 3b Cooling flow path, 3c Cathode gas flow path, 4 Electrode / electrolyte membrane assembly, 5 Resin, 6 Manifold Through hole, 7 Through hole for integration, 7a Undercut part, 8 Recess, 9, 10 Mold, 11 Runner, 12 Gate, 13 Mold pin, 14 Manifold seal part, 15 Seal receiving part, 16 Cooling flow Road seal part, 17 seal receiving part.

Claims (7)

アノード集電体、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層およびカソード集電体を順に積層した接合体と、
上記接合体を挟んで対向配置され、上記接合体よりも上記対向面方向に拡大形成された拡大形成部を有する対をなすセパレータと、
上記対をなすセパレータの拡大形成部間の隙間に注入され、上記接合体と上記セパレータとを接合する樹脂と
を備えたことを特徴とする燃料電池セル。
A joined body in which an anode current collector, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode current collector are sequentially laminated;
A separator that forms a pair having an enlarged formation portion that is disposed oppositely across the joined body and is enlarged in the facing surface direction than the joined body,
A fuel cell comprising: a resin that is injected into a gap between the enlarged forming portions of the pair of separators and that joins the joined body and the separator.
対をなすセパレータの拡大形成部には、互いに連通するように空間部が設けられ、上記空間部にも上記樹脂が注入されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a space portion is provided in the enlarged formation portion of the pair of separators so as to communicate with each other, and the resin is injected into the space portion. 空間部の少なくとも一方は、その少なくとも一部の開口断面積がセパレータの対向面に近い側よりも遠い側で大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池セル。   3. The fuel cell according to claim 2, wherein at least one of the space portions is formed such that at least a part of the opening cross-sectional area thereof is larger on a side farther than a side closer to the opposing surface of the separator. セパレータの樹脂と接する面には凹凸が設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル。   The fuel cell according to claim 1, wherein a surface of the separator in contact with the resin is provided with unevenness. 対をなすセパレータの拡大形成部には互いに連通するようにマニホ−ルド用貫通穴が設けられており、上記対をなすセパレータの一方には、空間部と連通して上記マニホールド用貫通穴を取り囲むように樹脂が突出配置されてマニホールド用シール部が形成されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池セル。   A manifold through hole is provided in the enlarged formation portion of the paired separator so as to communicate with each other, and one of the pair of separators communicates with the space portion and surrounds the manifold through hole. The fuel cell according to claim 2, wherein a resin sealing portion is formed to project the resin. 対をなすセパレータの少なくとも一方における接合体に隣接する面と反対側の面には冷却用流体を流すための冷却流路が設けられており、上記対をなすセパレータの一方には、空間部と連通して上記冷却流路を取り囲むように樹脂が突出配置されて冷却流路用シール部が形成されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池セル。   A cooling channel for flowing a cooling fluid is provided on a surface opposite to the surface adjacent to the joined body in at least one of the paired separators, and one of the paired separators includes a space portion and The fuel cell according to claim 2, wherein a resin is protruded and disposed so as to communicate and surround the cooling flow path to form a cooling flow path sealing portion. 樹脂が、オレフィン系樹脂、オレフィン系熱可塑性エラストマーおよびスチレン系熱可塑性エラストマーのうちの少なくとも何れか1つであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the resin is at least one of an olefin resin, an olefin thermoplastic elastomer, and a styrene thermoplastic elastomer.
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