JP2008293663A - Fuel cell - Google Patents

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fuel cell
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JP2007135012A
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Yoichi Koike
洋一 小池
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology capable of reducing stress generated in an electrolyte membrane in the case that the electrolyte membrane is expanded or contracted. <P>SOLUTION: The electrolyte membrane 74 of a fuel cell has a planar electrolyte membrane part 74p, a stress absorbing parts (74b, 74h) formed at an outside extended part of the planar electrolyte membrane part 74p, and a fixed part 74s formed further outside the stress absorbing part and fixed by a sealing member to seal the electrolyte membrane and a separator. The stress absorbing part has a swollen part 74b swollen in the membrane thickness direction of the electrolyte membrane, and the swollen part has a hollow hole 74h therein. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に用いられる電解質膜の構造に関するものである。   The present invention relates to the structure of an electrolyte membrane used in a fuel cell.

固体高分子型燃料電池の構成材料として用いられている膜―電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ。ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）は、電解質である固体高分子膜（以下、「電解質膜」とも呼ぶ。）の両側に、白金等の触媒を含む電極層を形成したものである。ＭＥＡの周囲には、ＭＥＡ両面間のガスシール性を確保するために、シール部と呼ばれる外枠が形成されている。   A membrane-electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) used as a constituent material of a polymer electrolyte fuel cell is an electrolyte polymer electrolyte (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”). Also, electrode layers containing a catalyst such as platinum are formed on both sides. An outer frame called a seal portion is formed around the MEA in order to ensure gas sealability between both surfaces of the MEA.

しかしＭＥＡは、燃料電池の発電時に発生する水による加湿と、発電停止後の乾燥とにより、膨張と収縮とを繰り返す。したがって、周囲をシール部によって固定されているＭＥＡでは、ＭＥＡの内部に応力が蓄積しクラックが発生することがある。ＭＥＡにクラックが発生すると、やがて穴が開き、水素ガスと酸素ガスがクロスリークし、発電特性が著しく低下するという問題があった。   However, the MEA repeats expansion and contraction due to humidification with water generated during power generation of the fuel cell and drying after power generation is stopped. Therefore, in the MEA whose periphery is fixed by the seal portion, stress may accumulate inside the MEA and cracks may occur. When a crack occurs in the MEA, there is a problem that a hole is eventually opened, hydrogen gas and oxygen gas cross-leak, and power generation characteristics are significantly deteriorated.

特開平７−２４９４１７号公報JP-A-7-249417

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を低減することのできる技術を提供する。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides a technique capable of reducing the stress generated in the electrolyte membrane when the electrolyte membrane expands or contracts.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質材料で形成された電解質膜を有する燃料電池であって、
前記電解質膜は、
平面状電解質膜部と、
前記平面状電解質膜部の外延部分に形成された応力吸収部と、
前記応力吸収部より外側に形成され、前記電解質膜とセパレータとの間をシールするためのシール部材に固定された固定部と、
を備え、
前記応力吸収部は、前記電解質膜の膜厚方向に膨らんだ膨らみ部を有し、前記膨らみ部は内部に中空孔を有していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell of the present invention comprises:
A fuel cell having an electrolyte membrane formed of an electrolyte material,
The electrolyte membrane is
A planar electrolyte membrane part;
A stress-absorbing portion formed in an outer extension portion of the planar electrolyte membrane portion;
A fixed portion formed outside the stress absorbing portion and fixed to a seal member for sealing between the electrolyte membrane and the separator;
With
The stress absorbing portion has a bulging portion that swells in the film thickness direction of the electrolyte membrane, and the bulging portion has a hollow hole therein.

以上のように構成された燃料電池によれば、電解質膜の外延部分に応力吸収部である膨らみ部が形成されているので、電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を低減することができる。   According to the fuel cell configured as described above, since the bulging portion, which is a stress absorbing portion, is formed in the outer extension portion of the electrolyte membrane, it occurs inside the electrolyte membrane when the electrolyte membrane expands or contracts. Stress can be reduced.

前記膨らみ部は内部に多数の中空孔を有することとしてもよい。   The bulge portion may have a large number of hollow holes therein.

前記中空孔は、前記電解質膜の劣化を抑制するガスを含むこととしてもよい。   The hollow hole may contain a gas that suppresses deterioration of the electrolyte membrane.

このような構成とすれば、電解質膜が劣化してクラックが発生し易くなる傾向を緩和することができる。   With such a configuration, it is possible to mitigate the tendency of the electrolyte membrane to deteriorate and cracks to occur easily.

前記応力吸収部は、前記平面状電解質膜部の外延部分のコーナー部のみに形成されていることとしてもよい。   The stress absorbing portion may be formed only at the corner portion of the outwardly extending portion of the planar electrolyte membrane portion.

電解質膜の外延部分のコーナー部は応力が集中しやすい傾向にある。したがって、このような構成としても、電解質膜が膨張または収縮した場合に、電解質膜の内部に発生する応力を十分に低減することができる。   Stress tends to be concentrated at the corners of the outer extension of the electrolyte membrane. Therefore, even with such a configuration, when the electrolyte membrane expands or contracts, the stress generated in the electrolyte membrane can be sufficiently reduced.

本発明による電解質膜の生産方法は、
外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜を積層する際に、前記積層される複数の薄膜の間に気体を送り込んで前記積層される複数の薄膜の所定部分を膨張させつつ積層を実行することによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、を備えることを特徴とする。 The method for producing an electrolyte membrane according to the present invention includes:
A method for producing an electrolyte membrane having a bulging portion in at least a part of an extended portion,
(A) preparing a plurality of thin films formed of an electrolyte membrane material;
(B) When laminating the plurality of thin films, a bulge portion is formed by sending a gas between the plurality of thin films to be laminated and expanding predetermined portions of the plurality of thin films to be laminated. And a step of producing an electrolyte membrane having

このような製造方法とすれば、電解質膜の所定の部分を膨張させることができるため、電解質膜の内部に発生する応力を低減することのできる電解質膜の膨らみ部を形成することができる。   With such a manufacturing method, since a predetermined portion of the electrolyte membrane can be expanded, a bulge portion of the electrolyte membrane that can reduce the stress generated in the electrolyte membrane can be formed.

本発明による電解質膜の生産方法は、
外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜の間の所定部分に発泡剤を介挿して、前記複数の薄膜を積層させる工程と、
（ｃ）前記発泡剤を発泡化させることによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、を備えることを特徴とする。 The method for producing an electrolyte membrane according to the present invention includes:
A method for producing an electrolyte membrane having a bulging portion in at least a part of an extended portion,
(A) preparing a plurality of thin films formed of an electrolyte membrane material;
(B) interposing a foaming agent in a predetermined portion between the plurality of thin films, and laminating the plurality of thin films;
And (c) forming an electrolyte membrane having a bulge by foaming the foaming agent.

このような製造方法とすれば、電解質膜の膨らみ部を形成し、その膨らみ部の内部に多孔質体を形成することができる。   With such a manufacturing method, a bulge portion of the electrolyte membrane can be formed, and a porous body can be formed inside the bulge portion.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池システム、それらを搭載した自動車、またはそれらの製造方法等の形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it can be realized in the form of a fuel cell, a fuel cell system, an automobile equipped with them, a manufacturing method thereof, or the like.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の断面を示す概略図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、セルアセンブリ７０と、セパレータＳＰと、を交互に複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ７０は、発電積層体７１と、シール部７２と、によって構成されており、１つの電池として機能する。シール部７２には、水素、空気、冷媒などの供給および排出を行うための貫通孔であるマニホールド孔が設けられている。なお図１では、空気供給用のマニホールド孔Ｍ３と、空気排出用のマニホールド孔Ｍ４が図示されている。発電積層体７１は、ＭＥＡ７３（膜―電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ７３を挟持するガス拡散層７６，７７と、ガス拡散層７６，７７をさらに挟持するガス流路形成部７８，７９と、によって形成されている。ＭＥＡ７３は、電解質膜７４と、電解質膜７４の両面に形成された電極層（アノード電極層７５ａおよびカソード電極層７５ｃ）と、を備える。セパレータＳＰは、アノード側プレートＳＰａと、カソード側プレートＳＰｃと、それら２枚のプレートに挟持された中間プレートＳＰｉと、を備える三層構造のセパレータである。なお、図１に示す燃料電池全体の構造は単なる一例であり、本発明は他の構造の燃料電池にも適用可能である。 A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a fuel cell as one embodiment of the present invention. The fuel cell of this embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of cell assemblies 70 and separators SP are alternately stacked. The cell assembly 70 includes a power generation laminate 71 and a seal portion 72, and functions as one battery. The seal portion 72 is provided with a manifold hole that is a through hole for supplying and discharging hydrogen, air, refrigerant, and the like. In FIG. 1, a manifold hole M3 for supplying air and a manifold hole M4 for discharging air are shown. The power generation laminate 71 includes an MEA 73 (Membrane Electrode Assembly), gas diffusion layers 76 and 77 that sandwich the MEA 73, and gas flow path forming portions 78 and 79 that further sandwich the gas diffusion layers 76 and 77. And is formed by. The MEA 73 includes an electrolyte membrane 74 and electrode layers (anode electrode layer 75a and cathode electrode layer 75c) formed on both surfaces of the electrolyte membrane 74. The separator SP is a separator having a three-layer structure including an anode side plate SPa, a cathode side plate SPc, and an intermediate plate SPi sandwiched between the two plates. Note that the overall structure of the fuel cell shown in FIG. 1 is merely an example, and the present invention can be applied to fuel cells having other structures.

図２は、電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、電解質膜７４の膜面に対して垂直な方向から示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ―Ｘ断面を示している。電解質膜７４は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜７４のうちで、平面状に形成されている中央部分７４ｐを「平面状電解質膜部７４ｐ」と呼び、シール部７２によって固定されている部分７４ｓを「固定部７４ｓ」とも呼ぶ。本実施例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分に、膜面方向に伸縮可能な膨らんだ部分７４ｂ（以下、「膨らみ部７４ｂ」とも呼ぶ）が形成されている。膨らみ部７４ｂは、内部に中空孔７４ｈを有しており、電解質膜７４の膜面方向の伸縮を吸収できる構造となっている（以下に詳述する）。なお、本明細書において「膜面方向」とは、電解質膜７４の膜面に対して平行な方向を意味し、「膜厚方向」とは、電解質膜７４の膜面に対して垂直な方向を意味する。本実施例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分を一周するように、膨らみ部７４ｂが形成されている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the electrolyte membrane 74 and the seal portion 72. 2A shows a direction perpendicular to the membrane surface of the electrolyte membrane 74, and FIG. 2B shows an XX cross section of FIG. 2A. The electrolyte membrane 74 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine-based resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. Of the electrolyte membrane 74, a central portion 74p formed in a planar shape is referred to as a “planar electrolyte membrane portion 74p”, and a portion 74s fixed by the seal portion 72 is also referred to as a “fixed portion 74s”. In the present embodiment, a bulging portion 74b (hereinafter also referred to as a “bulging portion 74b”) that can be expanded and contracted in the film surface direction is formed in the outward extending portion of the planar electrolyte membrane portion 74p. The bulging portion 74b has a hollow hole 74h inside, and has a structure capable of absorbing expansion and contraction in the membrane surface direction of the electrolyte membrane 74 (described in detail below). In this specification, “film surface direction” means a direction parallel to the film surface of the electrolyte membrane 74, and “film thickness direction” means a direction perpendicular to the film surface of the electrolyte membrane 74. Means. In the present embodiment, the bulging portion 74b is formed so as to make a round around the outer extension portion of the planar electrolyte membrane portion 74p.

シール部７２は、電解質膜７４を囲む外周枠であり、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成され、電解質膜７４と隙間なく接合されている。そのためシール部７２は、電解質膜７４の両面間のガスシール性を確保することができ、さらに電解質膜７４の固定部７４ｓを保持し、固定する機能も有している。またシール部７２には、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。   The seal portion 72 is an outer peripheral frame surrounding the electrolyte membrane 74, and is formed of an insulating resin material such as silicon rubber, butyl rubber, or fluorine rubber, and is joined to the electrolyte membrane 74 without a gap. Therefore, the seal portion 72 can ensure gas sealing performance between both surfaces of the electrolyte membrane 74, and also has a function of holding and fixing the fixing portion 74s of the electrolyte membrane 74. The seal portion 72 is provided with manifold holes M1 to M6.

図３は、比較例と第１実施例とにおいて電解質膜７４が伸縮する様子を示す説明図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す比較例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分に、応力を緩和するための曲げ部７４ｆが形成されている。電解質膜７４は、燃料電池の発電時に発生する水による加湿と、発電停止後の乾燥とにより、膨張と収縮とを繰り返す。そして電解質膜７４上の固定部７２ｓは、シール部７２（図１）によって固定されている。したがって、電解質膜７４が膨張したときには、電解質膜７４は膜面方向に圧縮応力が負荷され、電解質膜７４が収縮したときには、電解質膜７４は膜面方向に引張応力が負荷される。比較例の電解質膜７４に圧縮応力が負荷された場合には、曲げ部７４ｆは曲率半径Ｒｆが小さくなるように変形し、その変形によって、圧縮応力を吸収することができる（図３（Ａ））。逆に、電解質膜７４に引張応力が負荷された場合には、曲げ部７４ｆは曲率半径Ｒｆが大きくなるように変形し、その変形によって、引張応力を吸収することができる（図３（Ｃ））。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing how the electrolyte membrane 74 expands and contracts in the comparative example and the first example. In the comparative example shown in FIGS. 3A to 3C, a bent portion 74f for relieving stress is formed in the outwardly extending portion of the planar electrolyte membrane portion 74p. The electrolyte membrane 74 repeats expansion and contraction due to humidification with water generated during power generation of the fuel cell and drying after power generation is stopped. The fixing portion 72s on the electrolyte membrane 74 is fixed by the seal portion 72 (FIG. 1). Therefore, when the electrolyte membrane 74 expands, the electrolyte membrane 74 is loaded with a compressive stress in the film surface direction, and when the electrolyte membrane 74 contracts, the electrolyte membrane 74 is loaded with a tensile stress in the film surface direction. When compressive stress is applied to the electrolyte membrane 74 of the comparative example, the bent portion 74f is deformed so that the radius of curvature Rf becomes small, and the deformation can absorb the compressive stress (FIG. 3A). ). Conversely, when a tensile stress is applied to the electrolyte membrane 74, the bent portion 74f is deformed so that the curvature radius Rf is increased, and the tensile stress can be absorbed by the deformation (FIG. 3C). ).

図３（Ｄ）〜（Ｆ）は、第１実施例における膨らみ部７４ｂの伸縮する様子を示している。電解質膜７４に圧縮応力が負荷された場合には、膨らみ部７４ｂの内部の中空孔７４ｈが膜面方向につぶれることにより、圧縮応力を吸収することができる（図３（Ｄ））。逆に、電解質膜７４に引張応力が負荷された場合には、中空孔７４ｈが膜厚方向につぶれることにより、引張応力を吸収することができる（図３（Ｆ））。   FIGS. 3D to 3F show how the bulge portion 74b in the first embodiment expands and contracts. When compressive stress is applied to the electrolyte membrane 74, the hollow holes 74h inside the bulging portion 74b are crushed in the film surface direction, so that the compressive stress can be absorbed (FIG. 3D). Conversely, when tensile stress is applied to the electrolyte membrane 74, the hollow holes 74h are crushed in the film thickness direction, so that the tensile stress can be absorbed (FIG. 3F).

本実施例の電解質膜７４を後述するような製造方法で作成すると、その膨らみ部７４ｂの肉厚は、比較例の曲げ部７４ｂの膜厚のおよそ半分となる。そのため、圧縮応力が負荷された場合には、膨らみ部７４ｂの変形部分の曲率半径Ｒｂは、曲げ部７４ｆの変形部分の曲率半径Ｒｆよりも大きくなる。さらに、膨らみ部７４ｂの肉厚は小さいため、膨らみ部７４ｂの変形部分の内側と外側との曲率半径Ｒｂの差は、比較例の曲げ部７４ｆの変形部分の内側と外側との曲率半径Ｒｆの差よりも小さくなる。したがって、本実施例では、比較例に比べて、変形部分に発生する応力集中を低減することができるため、クラックの起点が発生しにくくなり、電解質膜７４の耐久性を向上させることができる。また、本実施例の膨らみ部７４ｂは、電解質膜７４が二重構造となっているため、仮に膨らみ部７４ｂの上下の膜部分のどちらか一方にクラックが発生してしまった場合であっても、他方の膜部分で保持することができ、クラックの進展を抑制することができる。また、たとえ膨らみ部７４ｂの上下の膜部分の一方のクラックが進展して破断してしまったとしても、他方の残った膜部分によって電解質膜７４の全体の破断を防止することができる。   When the electrolyte membrane 74 of the present embodiment is formed by a manufacturing method as described later, the thickness of the bulging portion 74b is approximately half the thickness of the bent portion 74b of the comparative example. Therefore, when a compressive stress is applied, the radius of curvature Rb of the deformed portion of the bulge portion 74b is larger than the radius of curvature Rf of the deformed portion of the bent portion 74f. Further, since the wall thickness of the bulge portion 74b is small, the difference in the radius of curvature Rb between the inside and outside of the deformed portion of the bulge portion 74b is the difference between the radius of curvature Rf between the inside and outside of the deformed portion of the bent portion 74f of the comparative example. Smaller than the difference. Therefore, in this embodiment, since the stress concentration generated in the deformed portion can be reduced as compared with the comparative example, the starting point of the crack is less likely to occur, and the durability of the electrolyte membrane 74 can be improved. In addition, since the bulging portion 74b of the present embodiment has a double structure of the electrolyte membrane 74, even if a crack occurs in either one of the upper and lower film portions of the bulging portion 74b. And it can hold | maintain in the other film | membrane part, and can suppress the progress of a crack. Even if one crack of the upper and lower film portions of the bulging portion 74b develops and breaks, the other remaining film portion can prevent the entire electrolyte membrane 74 from being broken.

なお、中空孔７４ｈの中には、電解質膜７４の劣化、例えば硬化や分解、を抑制することのできる気体（以下、「膜劣化抑制ガス」とも呼ぶ）を封入することが好ましい。膜劣化抑制ガスとしては、例えば電解質膜７４がフッ素系高分子の場合には、四フッ化メタン（ＣＦ4）や三フッ化メタン（ＣＨＦ3）などを用いることができる。こうすれば、電解質膜７４の変形箇所となる膨らみ部７４ｂが、膜劣化抑制ガスに触れることになるので、電解質膜７４の劣化を抑制することができる。また、膜劣化抑制ガスは、電解質膜７４を透過しにくい性質を有するものが好ましい。さらに、膜劣化抑制ガスを封入する圧力は、燃料電池の発電温度域において、電解質膜７４に過度の応力をかけない程度の低圧が好ましい。 In addition, it is preferable to enclose a gas (hereinafter, also referred to as “membrane deterioration suppressing gas”) that can suppress deterioration, for example, hardening or decomposition, of the electrolyte membrane 74 in the hollow hole 74h. As the film deterioration suppressing gas, for example, when the electrolyte membrane 74 is a fluorine-based polymer, tetrafluoromethane (CF 4 ), trifluoromethane (CHF 3 ), or the like can be used. By so doing, the bulging portion 74b, which is a deformed portion of the electrolyte membrane 74, comes into contact with the membrane degradation inhibiting gas, so that degradation of the electrolyte membrane 74 can be suppressed. Further, the film deterioration inhibiting gas is preferably one having a property that it is difficult to permeate the electrolyte membrane 74. Furthermore, it is preferable that the pressure at which the membrane deterioration inhibiting gas is sealed be a low pressure that does not apply excessive stress to the electrolyte membrane 74 in the power generation temperature range of the fuel cell.

図４は、第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造に使われる圧着プレートの一例を示す説明図である。図４（Ａ）は、上部圧着プレート１００と、下部圧着プレート２００とを、プレートの面に対して垂直な方向から示した図である。上部圧着プレート１００と、下部圧着プレート２００とには、それぞれ中空部形成溝１５０が外延部を一周するように形成されており、両プレートの端部には、後述するノズル１７０を逃がすためのノズル逃がし溝１６０が設けられている。図４（Ｂ）は、上部圧着プレート１００のＸ―Ｘ断面と、下部圧着プレート２００のＹ―Ｙ断面とを示した図である。上部圧着プレート１００は、圧着面に対して反対側に曲面状に反った形状を有しており、下部圧着プレート２００とは、一部分ずつしか接触しないような構成となっている。   FIG. 4 is an explanatory view showing an example of a pressure-bonding plate used for manufacturing the electrolyte membrane 74 having the bulging portion 74b in the first embodiment. FIG. 4A is a diagram showing the upper crimping plate 100 and the lower crimping plate 200 from a direction perpendicular to the surface of the plate. The upper pressure-bonding plate 100 and the lower pressure-bonding plate 200 are each formed with a hollow portion forming groove 150 so as to go around the outer extension portion. An escape groove 160 is provided. FIG. 4B is a diagram showing an XX section of the upper crimping plate 100 and a YY section of the lower crimping plate 200. The upper pressure-bonding plate 100 has a curved shape on the opposite side to the pressure-bonding surface, and is configured to be in contact with the lower pressure-bonding plate 200 only one by one.

図５は、第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。図６は、その製造工程の概略を示す説明図である。
ステップＳ１０では、電解質膜材料で形成された電解質薄膜３００を準備し、ステップＳ２０では、電解質薄膜３００を、上部圧着プレート１００と、下部圧着プレート２００とにそれぞれセットする（図６（Ａ））。これらの電解質薄膜３００は、最終的な電解質膜７４の半分の厚みを有する薄膜である。ステップＳ３０では、ノズル１７０によって電解質薄膜３００に気体を送り込み、電解質薄膜３００を中空部形成溝１５０に沿った形状で膨らませ、中空孔７４ｈを形成させる（図６（Ａ））。ステップＳ４０では、ノズルを圧着進行方向に逃がしつつ、上部圧着プレート１００によって電解質薄膜３００を圧着していく（図６（Ｂ））。なお、上部圧着プレート１００は、曲面状に反った形状を有しているため、ノズル１７０で気体を送り込みつつ、徐々に圧着を進めることが可能となっている。そしてノズル逃がし溝１６０からノズル１７０を逃しつつ、電解質薄膜３００の中空孔７４ｈ以外のすべての部分を上部圧着プレート１００により圧着する（図６（Ｃ））。またノズル１７０から送り込む気体として膜劣化抑制ガスを用いれば、中空孔７４ｈの内部を膜劣化抑制ガスで満たすことができる。 FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing process of the electrolyte membrane 74 having the bulge portion 74b in the first embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram showing an outline of the manufacturing process.
In step S10, an electrolyte thin film 300 formed of an electrolyte membrane material is prepared, and in step S20, the electrolyte thin film 300 is set on the upper crimping plate 100 and the lower crimping plate 200, respectively (FIG. 6A). These electrolyte thin films 300 are thin films having half the thickness of the final electrolyte film 74. In step S30, gas is sent to the electrolyte thin film 300 by the nozzle 170, and the electrolyte thin film 300 is expanded in a shape along the hollow portion forming groove 150 to form a hollow hole 74h (FIG. 6A). In step S40, the electrolyte thin film 300 is pressure-bonded by the upper pressure-bonding plate 100 while letting the nozzle escape in the direction of pressure bonding (FIG. 6B). Since the upper pressure-bonding plate 100 has a curved shape, the pressure can be gradually advanced while gas is fed by the nozzle 170. Then, all the portions of the electrolyte thin film 300 other than the hollow hole 74h are pressure-bonded by the upper pressure-bonding plate 100 while the nozzle 170 is released from the nozzle escape groove 160 (FIG. 6C). If a film deterioration suppressing gas is used as the gas fed from the nozzle 170, the inside of the hollow hole 74h can be filled with the film deterioration suppressing gas.

以上のような工程によれば、図１、図２に示したような膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４を製造することができる。なお、膨らみ部７４ｂの肉厚は、電解質薄膜３００の膜厚と等しいため、膨らみ部７４ｂの肉厚は、電解質膜７４の膜厚の半分となっている。なお図６において、圧着後の電解質薄膜３００の間に境界線が破線によって描かれているが、これは説明のために描いたものであって、実際には電解質薄膜３００の間の境界は圧着により消滅する。   According to the above process, the electrolyte membrane 74 having the bulging portion 74b as shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured. Since the thickness of the bulging portion 74 b is equal to the thickness of the electrolyte thin film 300, the thickness of the bulging portion 74 b is half the thickness of the electrolyte membrane 74. In FIG. 6, a boundary line is drawn by a broken line between the electrolyte thin films 300 after crimping, but this is drawn for the sake of explanation, and the boundary between the electrolyte thin films 300 is actually crimped. Disappears due to

このように、第１実施例では、電解質膜７４上に、膨らみ部７４ｂが形成されているので、電解質膜７４が膨張または収縮した場合に、電解質膜７４の内部に発生する応力を低減することができる。   As described above, in the first embodiment, since the bulging portion 74b is formed on the electrolyte membrane 74, when the electrolyte membrane 74 expands or contracts, the stress generated in the electrolyte membrane 74 is reduced. Can do.

Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における電解質膜７４の膨らみ部７４ｂの構成を示す断面図である。図３（Ｄ）〜（Ｆ）に示した第１実施例との違いは、膨らみ部７４ｂの内部が、中空孔７４ｈを多数含む多孔質体７４ｍとなっている点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。多孔質体７４ｍは、内部に多数の中空孔７４ｈを有しているため、弾性に優れる。したがって、膨らみ部７４ｂが電解質膜７４の膜面方向に発生する応力を吸収するために変形した場合には、多孔質体７４ｍは膨らみ部７４ｂの変形とともに変形することができる（図７（Ａ）、（Ｃ））。多孔質体７４ｍは、２枚の電解質薄膜３００の間に、発泡剤を介挿することで形成することができる。また第１実施例と同様に、多孔質体７４ｍの内部にも前述した膜劣化抑制ガスを封入し、膜の劣化を抑制することが好ましい。 B. Second embodiment:
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the bulging portion 74b of the electrolyte membrane 74 in the second embodiment. The only difference from the first embodiment shown in FIGS. 3D to 3F is that the inside of the bulging portion 74b is a porous body 74m including a large number of hollow holes 74h. Is the same as in the first embodiment. The porous body 74m is excellent in elasticity because it has a large number of hollow holes 74h inside. Therefore, when the bulging portion 74b is deformed to absorb the stress generated in the film surface direction of the electrolyte membrane 74, the porous body 74m can be deformed along with the deformation of the bulging portion 74b (FIG. 7A). (C)). The porous body 74m can be formed by inserting a foaming agent between the two electrolyte thin films 300. Similarly to the first embodiment, it is preferable to suppress the deterioration of the film by enclosing the aforementioned film deterioration suppressing gas in the porous body 74m.

図８は、第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。図９は、その製造工程の概略を示す説明図である。ステップＳ１００では、電解質膜材料で形成された電解質薄膜３００を準備し、ステップＳ１１０では、電解質薄膜３００の表面であって、膨らみ部７４ｂを形成する予定の箇所に発泡剤入りの電解質材料３１０（以下、単に「発泡剤３１０」とも呼ぶ）を塗布する（図９（Ａ））。ステップＳ１２０では、膨らみ部７４ｂの形状に型抜きしたプレス４００，５００の間に発泡剤３１０を挟んだ状態で２枚の電解質薄膜３００を設置し（図９（Ｂ））、圧着しつつ発泡剤３１０に熱を加えて発泡させる（図９（Ｃ））。   FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of the electrolyte membrane 74 having the bulging portion 74b in the second embodiment. FIG. 9 is an explanatory diagram showing an outline of the manufacturing process. In step S100, an electrolyte thin film 300 made of an electrolyte membrane material is prepared. In step S110, an electrolyte material 310 (hereinafter referred to as foaming agent) is formed on the surface of the electrolyte thin film 300 where a bulge 74b is to be formed. , Simply referred to as “foaming agent 310”) (FIG. 9A). In step S120, the two electrolyte thin films 300 are installed in a state where the foaming agent 310 is sandwiched between the presses 400 and 500 that have been punched into the shape of the bulging portion 74b (FIG. 9B), and the foaming agent is bonded with pressure bonding. Heat is applied to 310 to cause foaming (FIG. 9C).

以上のような工程によれば、第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４を製造することができる（図９（Ｄ））。なお、ステップＳ１２０において発泡剤３１０を発泡させつつ、ノズルを用いて膜劣化抑制ガスを多孔質体７４ｍに送り込めば、膜劣化抑制ガスを多孔質体７４ｍに封入することができる。なお図９においても、圧着後の電解質薄膜３００の間に境界線が破線によって描かれているが、これは説明のために描いたものであって、実際には電解質薄膜３００の間の境界は圧着により消滅する。   According to the above process, the electrolyte membrane 74 having the bulging portion 74b in the second embodiment can be manufactured (FIG. 9D). In addition, if the film deterioration suppressing gas is sent into the porous body 74m using a nozzle while foaming the foaming agent 310 in step S120, the film deterioration suppressing gas can be enclosed in the porous body 74m. In FIG. 9, the boundary line is drawn with a broken line between the electrolyte thin films 300 after the press bonding, but this is drawn for explanation, and the boundary between the electrolyte thin films 300 is actually Disappears by crimping.

このように、膨らみ部７４ｂの内部を、中空孔７４ｈを多数含む多孔質体７４ｍとしても、第１実施例と同様に、電解質膜７４が膨張または収縮した場合に、電解質膜７４の内部に発生する応力を低減することができる。   As described above, even if the inside of the bulging portion 74b is a porous body 74m including a large number of hollow holes 74h, it is generated inside the electrolyte membrane 74 when the electrolyte membrane 74 expands or contracts, as in the first embodiment. Stress to be reduced.

Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例における電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。上記第１、第２実施例では、平面状電解質膜部７４ｐの外延部分を一周するように膨らみ部７４ｂを形成させていたが、第３実施例では、膨らみ部７４ｂを平面状電解質膜部７４ｐの外延部分のコーナー部のみに形成させている。コーナー部は他の部位に比べて応力が集中しやすい傾向にあるため、コーナー部に応力を吸収することのできる膨らみ部７４ｂを形成させることによっても、応力を効率よく吸収することができる。 C. Third embodiment:
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of the electrolyte membrane 74 and the seal portion 72 in the third embodiment. In the first and second embodiments, the bulging portion 74b is formed so as to go around the outer extended portion of the planar electrolyte membrane portion 74p. However, in the third embodiment, the bulging portion 74b is replaced with the planar electrolyte membrane portion 74p. It is formed only at the corner portion of the extended portion. Since the corner portion tends to concentrate stress as compared with other portions, the stress can be efficiently absorbed also by forming the bulging portion 74b capable of absorbing the stress in the corner portion.

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、２枚の電解質薄膜３００の間に、中空孔７４ｈや多孔質体７４ｍを形成させていたが、この代わりに、３枚以上の電解質薄膜３００の間に中空孔７４ｈや多孔質体７４ｍを形成させるようにしてもよい。
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、膨らみ部７４ｂの表面上には何も形成されていないが、この代わりに、膨らみ部７４ｂの表面上にアノード電極層７４ａまたはカソード電極層７４ｃが形成されていることとしてもよい。 D1. Modification 1:
In the above embodiment, the hollow hole 74h and the porous body 74m are formed between the two electrolyte thin films 300. Instead, the hollow hole 74h and the porous body 74 are formed between the three or more electrolyte thin films 300. The body 74m may be formed.
D2. Modification 2:
In the above embodiment, nothing is formed on the surface of the bulging portion 74b. Instead, the anode electrode layer 74a or the cathode electrode layer 74c may be formed on the surface of the bulging portion 74b. .

第１実施例における燃料電池の断面を示す概略図である。It is the schematic which shows the cross section of the fuel cell in 1st Example. 第１実施例における電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the electrolyte membrane 74 and the seal part 72 in 1st Example. 比較例と第１実施例とにおいて電解質膜７４が伸縮する様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that the electrolyte membrane 74 expands and contracts in a comparative example and 1st Example. 第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造に使われる圧着プレートの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the crimping plate used for manufacture of the electrolyte membrane 74 which has the bulging part 74b in 1st Example. 第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the electrolyte membrane 74 which has the bulging part 74b in 1st Example. 第１実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of the manufacturing process of the electrolyte membrane 74 which has the bulging part 74b in 1st Example. 第２実施例における電解質膜７４の膨らみ部７４ｂの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the swelling part 74b of the electrolyte membrane 74 in 2nd Example. 第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the electrolyte membrane 74 which has the bulging part 74b in 2nd Example. 第２実施例における膨らみ部７４ｂを有する電解質膜７４の製造工程の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of the manufacturing process of the electrolyte membrane 74 which has the bulging part 74b in 2nd Example. 第３実施例における電解質膜７４とシール部７２との構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the electrolyte membrane 74 and the seal part 72 in 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

７０…セルアセンブリ
７１…発電積層体
７２…シール部
７４…電解質膜
７４ｐ…平面状電解質膜部
７４ｓ…固定部
７４ｂ…膨らみ部
７４ｆ…曲げ部
７４ｈ…中空孔
７４ｍ…多孔質体
７５ａ…アノード電極層
７５ｃ…カソード電極層
７６、７７…ガス拡散層
７８、７９…ガス流路形成部
１００…上部圧着プレート
２００…下部圧着プレート
１５０…中空部形成溝
１６０…ノズル逃がし溝
１７０…ノズル
３００…電解質薄膜
３１０…発泡剤
４００…プレス
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
ＳＰ…セパレータ
ＳＰａ…アノード側プレート
ＳＰｃ…カソード側プレート
ＳＰｉ…中間プレート DESCRIPTION OF SYMBOLS 70 ... Cell assembly 71 ... Power generation laminated body 72 ... Sealing part 74 ... Electrolyte membrane 74p ... Planar electrolyte membrane part 74s ... Fixed part 74b ... Swelling part 74f ... Bending part 74h ... Hollow hole 74m ... Porous body 75a ... Anode electrode layer 75c ... Cathode electrode layer 76, 77 ... Gas diffusion layer 78, 79 ... Gas flow path forming portion 100 ... Upper pressure bonding plate 200 ... Lower pressure bonding plate 150 ... Hollow portion forming groove 160 ... Nozzle escape groove 170 ... Nozzle 300 ... Electrolyte thin film 310 ... Foaming agent 400 ... Press M1-M6 ... Manifold hole SP ... Separator SPa ... Anode side plate SPc ... Cathode side plate SPi ... Intermediate plate

Claims (6)

電解質材料で形成された電解質膜を有する燃料電池であって、
前記電解質膜は、
平面状電解質膜部と、
前記平面状電解質膜部の外延部分に形成された応力吸収部と、
前記応力吸収部より外側に形成され、前記電解質膜とセパレータとの間をシールするためのシール部材に固定された固定部と、
を備え、
前記応力吸収部は、前記電解質膜の膜厚方向に膨らんだ膨らみ部を有し、前記膨らみ部は内部に中空孔を有していることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having an electrolyte membrane formed of an electrolyte material,
The electrolyte membrane is
A planar electrolyte membrane part;
A stress-absorbing portion formed in an outer extension portion of the planar electrolyte membrane portion;
A fixed portion formed outside the stress absorbing portion and fixed to a seal member for sealing between the electrolyte membrane and the separator;
With
The fuel cell according to claim 1, wherein the stress absorbing portion includes a bulging portion that swells in a film thickness direction of the electrolyte membrane, and the bulging portion includes a hollow hole therein. 請求項１記載の燃料電池であって、
前記膨らみ部は内部に多数の中空孔を有する、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The bulge has a number of hollow holes inside,
Fuel cell. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記中空孔は、前記電解質膜の劣化を抑制するガスを含む、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The hollow hole contains a gas that suppresses deterioration of the electrolyte membrane,
Fuel cell. 請求項１ないし３記載の燃料電池であって、
前記応力吸収部は、前記平面状電解質膜部の外延部分のコーナー部のみに形成されている、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The stress absorbing portion is formed only at the corner portion of the outward extension portion of the planar electrolyte membrane portion,
Fuel cell. 外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜を積層する際に、前記積層される複数の薄膜の間に気体を送り込んで前記積層される複数の薄膜の所定部分を膨張させつつ積層を実行することによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、
を備える電解質膜の生産方法。 A method for producing an electrolyte membrane having a bulging portion in at least a part of an extended portion,
(A) preparing a plurality of thin films formed of an electrolyte membrane material;
(B) When laminating the plurality of thin films, a bulge portion is formed by sending a gas between the plurality of thin films to be laminated and expanding predetermined portions of the plurality of thin films to be laminated. Producing an electrolyte membrane having:
An electrolyte membrane production method comprising: 外延部分の少なくとも一部に膨らみ部を有する電解質膜を生産する方法であって、
（ａ）電解質膜材料で形成された複数の薄膜を準備する工程と、
（ｂ）前記複数の薄膜の間の所定部分に発泡剤を介挿して、前記複数の薄膜を積層させる工程と、
（ｃ）前記発泡剤を発泡化させることによって、膨らみ部を有する電解質膜を生成する工程と、
を備える電解質膜の生産方法。 A method for producing an electrolyte membrane having a bulging portion in at least a part of an extended portion,
(A) preparing a plurality of thin films formed of an electrolyte membrane material;
(B) interposing a foaming agent in a predetermined portion between the plurality of thin films, and laminating the plurality of thin films;
(C) producing an electrolyte membrane having a bulge by foaming the foaming agent;
An electrolyte membrane production method comprising:
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