JP2008305673A - Fuel cell - Google Patents

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Tsunemasa Nishida
恒政 西田
Manabu Takahashi
学 高橋
Kenichi Tokuda
健一 徳田
Tsutomu Ochi
勉 越智
Takahiro Nitta
高弘 新田
Shinji Matsuo
真司 松尾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell suppressing the deterioration of a membrane-electrode assembly caused by a substance eluted from a gas leak suppressing member. <P>SOLUTION: The fuel cell has: the membrane-electrode assembly; a pair of frames arranged through the membrane-electrode assembly; a pair of separators arranged at both outsides of the frame; and the gas leak suppressing member suppressing gas leak between the adjoined members, and the gas leak suppressing member is formed of a material the same as a material used for the membrane-electrode assembly. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の技術に関する。   The present invention relates to fuel cell technology.

一般的に燃料電池は、電解質膜を介して配置される一対の電極(アノード極及びカソード極)を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、フレームの両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。   In general, a fuel cell includes a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes (an anode and a cathode) disposed via an electrolyte membrane, a pair of frames disposed via a membrane-electrode assembly, A pair of fuel cell separators sandwiching both outer sides. At the time of power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode is hydrogen gas and the cathode gas supplied to the cathode electrode is oxygen gas, a reaction to form hydrogen ions and electrons is performed on the anode electrode side. Passes through the electrolyte membrane to the cathode electrode side, and electrons reach the cathode electrode through an external circuit. On the other hand, on the cathode side, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate moisture, and energy is released.

上記燃料電池には、隣接する燃料電池部材間の反応ガス(アノードガス、カソードガス)のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材が設けられる。   The fuel cell is provided with a gas leakage suppression member that suppresses gas leakage of the reaction gas (anode gas, cathode gas) between adjacent fuel cell members.

例えば、特許文献1には、燃料電池用セパレータの反応ガス流路を形成するリブが配置されるフレームの開口部とリブとの間にガス漏れ抑制部材を設けた燃料電池が提案されている。   For example, Patent Document 1 proposes a fuel cell in which a gas leakage suppression member is provided between an opening of a frame where a rib that forms a reaction gas flow path of a fuel cell separator is disposed and the rib.

燃料電池の発電時では、上記反応に加え副反応が起こり、過酸化水素、OHラジカル等の酸化力の強い物質が生成する場合がある。   During power generation of the fuel cell, side reactions may occur in addition to the above reactions, and substances with strong oxidizing power such as hydrogen peroxide and OH radicals may be generated.

そして、ガス漏れ抑制部材と燃料電池の発電時に生成する水(過酸化水素、OHラジカル等も含む)とが接触すると、ガス漏れ抑制部材と上記水とが反応し、膜−電極アッセンブリに悪影響を及ぼす物質が、ガス漏れ抑制部材から溶出される場合がある。その一例として、例えば、ガス漏れ抑制部材にシリコン系樹脂が用いられている場合、シリコン系樹脂と水とが反応すると、シリコン系樹脂からシリコン系物質が主に溶出される。溶出されたシリコン系物質が、膜−電極アッセンブリを構成する電解質膜に付着すると、電解質膜の膨張、固化等の劣化が引き起こされる。その結果、燃料電池の発電性能が低下する場合がある。   When the gas leakage suppression member comes into contact with water (including hydrogen peroxide, OH radicals, etc.) generated during power generation of the fuel cell, the gas leakage suppression member and the water react to adversely affect the membrane-electrode assembly. The acting substance may be eluted from the gas leakage suppressing member. As an example, for example, when a silicon resin is used for the gas leakage suppression member, when the silicon resin reacts with water, the silicon substance is mainly eluted from the silicon resin. When the eluted silicon-based material adheres to the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly, deterioration such as expansion and solidification of the electrolyte membrane is caused. As a result, the power generation performance of the fuel cell may deteriorate.

国際公開第2006/075786号パンフレットInternational Publication No. 2006/0775786 Pamphlet

本発明は、ガス漏れ抑制部材から溶出される物質により膜−電極アッセンブリが劣化することを抑制する燃料電池である。   The present invention is a fuel cell that suppresses deterioration of a membrane-electrode assembly due to a substance eluted from a gas leakage suppressing member.

本発明は、膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、前記フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材は、前記膜−電極アッセンブリに使用される材料である。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly, a pair of frames disposed via the membrane-electrode assembly, a pair of fuel cell separators disposed on both outer sides of the frame, and gas leakage between adjacent members. The gas leakage suppressing member is a material used for the membrane-electrode assembly.

また、前記燃料電池において、前記燃料電池用セパレータは、反応ガス流路を形成するリブを有し、前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと隣接する部材との間に配置されることが好ましい。   In the fuel cell, it is preferable that the fuel cell separator has a rib that forms a reaction gas flow path, and the gas leakage suppression member is disposed between the rib and an adjacent member.

また、前記燃料電池において、前記フレームは、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路が形成されるリブが配置される開口部を有し、前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと前記開口部の内周との間に配置されることが好ましい。   Further, in the fuel cell, the frame has an opening in which a rib in which a reaction gas flow path of the fuel cell separator is formed is disposed, and the gas leakage suppressing member includes the rib and the opening. It is preferable to arrange | position between inner periphery.

また、前記燃料電池において、前記ガス漏れ抑制部材は、前記燃料電池の発電時に生成する水と反応しても、前記膜−電極アッセンブリを劣化させる物質をほとんど溶出しないものであることが好ましい。   In the fuel cell, it is preferable that the gas leakage suppressing member does not substantially elute a substance that degrades the membrane-electrode assembly even when it reacts with water generated during power generation of the fuel cell.

また、前記燃料電池において、前記ガス漏れ抑制部材は、前記膜−電極アッセンブリに使用される電解質又は撥水剤から構成されることが好ましい。   In the fuel cell, the gas leakage suppressing member is preferably composed of an electrolyte or a water repellent used in the membrane-electrode assembly.

本発明によれば、膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、ガス漏れ抑制部材に膜−電極アッセンブリで使用される材料を用いることによって、ガス漏れ抑制部材から溶出される物質により膜−電極アッセンブリが劣化することを抑制する燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a membrane-electrode assembly, a pair of frames disposed via the membrane-electrode assembly, a pair of fuel cell separators disposed on both outer sides of the frame, and gas leakage between adjacent members The gas-leakage suppression member is a fuel cell having a gas-leakage suppression member, and the material used in the membrane-electrode assembly is used for the gas-leakage suppression member, so that the membrane-electrode assembly is caused by the substance eluted from the gas leakage suppression member A fuel cell that suppresses deterioration can be provided.

本発明の実施の形態について以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図1に示すように燃料電池1は、膜−電極アッセンブリ10と、フレーム12と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ14及びカソード極セパレータ16と、接合部18a,18bとを含むものである。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a membrane-electrode assembly 10, a frame 12, an anode separator 14 and a cathode separator 16 as fuel cell separators, and joints 18a and 18b.

膜−電極アッセンブリ10は、電解質膜20を挟持するアノード極触媒層22、カソード極触媒層24と、アノード極触媒層22、カソード極触媒層24の両外側を挟持するアノード極拡散層26、カソード極拡散層28とにより構成されている。   The membrane-electrode assembly 10 includes an anode electrode catalyst layer 22 and a cathode electrode catalyst layer 24 that sandwich the electrolyte membrane 20, an anode electrode diffusion layer 26 that sandwiches both outer sides of the anode electrode catalyst layer 22 and the cathode electrode catalyst layer 24, and a cathode. The pole diffusion layer 28 is used.

アノード極セパレータ14及びカソード極セパレータ16は、膜−電極アッセンブリ10を介して配置される。また、アノード極セパレータ14は、アノードガスが流れるアノードガス流路30、カソード極セパレータ16は、カソードガスが流れるカソードガス流路32が形成されている。   The anode electrode separator 14 and the cathode electrode separator 16 are disposed via the membrane-electrode assembly 10. The anode separator 14 has an anode gas passage 30 through which anode gas flows, and the cathode separator 16 has a cathode gas passage 32 through which cathode gas flows.

図2(イ)は、本実施形態に用いられるアノード極セパレータの模式平面図であり、図2(ロ)は、本実施形態に用いられるカソード極セパレータの模式平面図である。図2(イ),(ロ)に示すように、アノード極セパレータ14及びカソード極セパレータ16は、反応ガス流路(アノードガス流路30、カソードガス流路32)を形成するリブ34と、アノードガス流路30にアノードガスを供給するアノードガス供給マニホールド36aと、アノードガス流路30からアノードガスを外部へ排出するアノードガス排出マニホールド36bと、カソードガス流路32にカソードガスを供給するカソードガス供給マニホールド38aと、カソードガス流路32からカソードガスを外部へ排出するカソードガス排出マニホールド38bと、冷媒が流れる冷媒供給排出マニホールド40とを備える。   FIG. 2A is a schematic plan view of an anode electrode separator used in this embodiment, and FIG. 2B is a schematic plan view of a cathode electrode separator used in this embodiment. As shown in FIGS. 2A and 2B, the anode separator 14 and the cathode separator 16 include a rib 34 that forms a reaction gas passage (an anode gas passage 30 and a cathode gas passage 32), and an anode. An anode gas supply manifold 36 a that supplies the anode gas to the gas flow path 30, an anode gas discharge manifold 36 b that discharges the anode gas from the anode gas flow path 30 to the outside, and a cathode gas that supplies the cathode gas to the cathode gas flow path 32. A supply manifold 38a, a cathode gas discharge manifold 38b for discharging the cathode gas from the cathode gas flow path 32 to the outside, and a refrigerant supply / discharge manifold 40 through which the refrigerant flows are provided.

図3は、本実施形態に用いられるフレームの模式平面図である。図3に示すように、フレーム12は、開口部42と、上記燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ14及びカソード極セパレータ16)と同様にアノードガス供給マニホールド36aと、アノードガス排出マニホールド36bと、カソードガス供給マニホールド38aと、カソードガス排出マニホールド38bと、冷媒供給排出マニホールド40とを備える。   FIG. 3 is a schematic plan view of a frame used in this embodiment. As shown in FIG. 3, the frame 12 includes an opening 42, an anode gas supply manifold 36a, an anode gas discharge manifold 36b, a cathode, as in the fuel cell separator (the anode separator 14 and the cathode separator 16). A gas supply manifold 38a, a cathode gas discharge manifold 38b, and a refrigerant supply / discharge manifold 40 are provided.

図4は、燃料電池用セパレータ上にフレームを配置した状態を示す模式平面図である。図4では、アノード極セパレータ14上にフレーム12を配置したものを例として説明する。図4に示すように、アノード極セパレータ14及びフレーム12の各マニホールド同士が重なり合うようにアノード極セパレータ14上にフレーム12が配置される。また、フレーム12の開口部42には、アノード極セパレータ14のアノードガス流路30、リブ34が配置される。   FIG. 4 is a schematic plan view showing a state in which the frame is arranged on the fuel cell separator. In FIG. 4, an example in which the frame 12 is disposed on the anode electrode separator 14 will be described. As shown in FIG. 4, the frame 12 is arranged on the anode electrode separator 14 so that the manifolds of the anode electrode separator 14 and the frame 12 overlap each other. In addition, the anode gas flow path 30 and the rib 34 of the anode separator 14 are disposed in the opening 42 of the frame 12.

図4を用いて、燃料電池1内の反応ガスの流れを説明する。図4に示すように、アノード極セパレータ14では、アノードガス供給マニホールド36aからアノードガス流路30内へアノードガスが供給される。供給されたアノードガスは、リブ34に沿ってアノードガス流路30内を流れ、アノードガス排出マニホールド36bから外部に排出される。   The flow of the reaction gas in the fuel cell 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, in the anode electrode separator 14, the anode gas is supplied from the anode gas supply manifold 36 a into the anode gas flow path 30. The supplied anode gas flows in the anode gas flow path 30 along the ribs 34 and is discharged to the outside from the anode gas discharge manifold 36b.

しかし、アノードガス流路30へ供給されたアノードガスの一部は、リブ34に沿ってアノードガス流路30内を流れず、リブ34を横切るようなガス漏れが生じる場合がある。   However, a part of the anode gas supplied to the anode gas flow path 30 may not flow in the anode gas flow path 30 along the ribs 34, and gas leakage may occur so as to cross the ribs 34.

図5は、図4に示す点線枠Xにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。例えば、燃料電池1を組み立てる際に、フレーム12がアノード極セパレータ14のリブ34に乗り上げることがないように、開口部42の大きさ、リブ34の長さが規定されるため、開口部42の内周42aとリブ34(具体的には、リブ34の端部34a)との間に隙間が生じる場合がある。このような場合、アノードガス流路30へ供給されたアノードガスの一部が、開口部42の内周42aとリブ34の端部34aとの間から漏れ易い(図5に示す矢印B)。カソード極側も同様である。   FIG. 5 is a partially enlarged schematic view of a fuel cell separator showing an example of a state in which the gas leakage suppressing member according to the present embodiment is arranged in the dotted line frame X shown in FIG. 4. For example, when the fuel cell 1 is assembled, the size of the opening 42 and the length of the rib 34 are defined so that the frame 12 does not run on the rib 34 of the anode separator 14. There may be a gap between the inner periphery 42a and the rib 34 (specifically, the end 34a of the rib 34). In such a case, a part of the anode gas supplied to the anode gas flow path 30 is likely to leak from between the inner periphery 42a of the opening 42 and the end 34a of the rib 34 (arrow B shown in FIG. 5). The same applies to the cathode side.

本実施形態では、例えば図5に示すように、フレーム12の開口部42の内周42aとリブ34の端部34aとの間にガス漏れ抑制部材44を設けることによって、フレーム12の開口部42の内周42aとリブ34の端部34aとの間から反応ガスが漏れることを抑制することができる。カソード極側も同様である。   In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 5, by providing a gas leakage suppression member 44 between the inner periphery 42 a of the opening 42 of the frame 12 and the end 34 a of the rib 34, the opening 42 of the frame 12 is provided. The reaction gas can be prevented from leaking from between the inner circumference 42 a of the steel plate and the end 34 a of the rib 34. The same applies to the cathode side.

図6は、図4に示す点線枠Xにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の他の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。図6に示すように、フレーム12の開口部42の内周42aの一部を切り欠き、切り欠いた部分の内周42aとリブ34の端部34aとの間にガス漏れ抑制部材44を設けることによって、切り欠いた部分の内周42aとリブ34の端部34aとの間から反応ガスが漏れることを抑制することができる。カソード極側も同様である。   FIG. 6 is a partially enlarged schematic view of a fuel cell separator showing another example of the state in which the gas leakage suppressing member according to the present embodiment is arranged in the dotted line frame X shown in FIG. 4. As shown in FIG. 6, a part of the inner periphery 42 a of the opening 42 of the frame 12 is cut out, and a gas leakage suppression member 44 is provided between the inner periphery 42 a of the notched part and the end 34 a of the rib 34. Accordingly, it is possible to prevent the reaction gas from leaking from between the inner periphery 42a of the notched portion and the end 34a of the rib 34. The same applies to the cathode side.

図7は、図4に示す点線枠Xにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の他の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。図7に示すように、反応ガスは、アノード極セパレータ14のリブ34を乗り越えるように反応ガスが漏れる(図7に示す矢印C)場合がある。これは、図7に示すリブ34の頂面34tと頂面34tに接する拡散層(図1に示すアノード極拡散層26)との間に隙間が生じる場合があるからである。図7に示すように、リブ34の頂面34t上(すなわち、リブの頂面34tと拡散層との間)にガス漏れ抑制部材44を設けることによって、リブ34を越える反応ガスのガス漏れ(すなわち、リブ34の頂面34tと拡散層との間からの反応ガスのガス漏れ)を抑制することができる。カソード極側も同様である。   FIG. 7 is a partially enlarged schematic view of a fuel cell separator showing another example of a state in which the gas leakage suppressing member according to the present embodiment is arranged in the dotted line frame X shown in FIG. As shown in FIG. 7, the reactive gas sometimes leaks over the rib 34 of the anode separator 14 (arrow C shown in FIG. 7). This is because a gap may be formed between the top surface 34t of the rib 34 shown in FIG. 7 and the diffusion layer (anode pole diffusion layer 26 shown in FIG. 1) in contact with the top surface 34t. As shown in FIG. 7, by providing a gas leakage suppression member 44 on the top surface 34t of the rib 34 (that is, between the top surface 34t of the rib and the diffusion layer), gas leakage of the reaction gas over the rib 34 ( That is, reaction gas leakage from between the top surface 34t of the rib 34 and the diffusion layer can be suppressed. The same applies to the cathode side.

ガス漏れ抑制部材44は、隣接する燃料電池部材間のガス漏れを抑制するためのものである。そのため、ガス漏れを生じる燃料電池部材間に配置されるものであれば、上記これらに限定されるものではない。例えば、図1に示すフレーム12間に設けられる接合部18a、燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ14、カソード極セパレータ16)とフレーム12との間に設けられる接合部18bが、ガス漏れ抑制部材44であってもよい。または、接合部18aとフレーム12、膜−電極アッセンブリ10との間、接合部18bと燃料電池用セパレータ、フレーム12との間であってもよい。   The gas leakage suppression member 44 is for suppressing gas leakage between adjacent fuel cell members. Therefore, the arrangement is not limited to the above as long as it is disposed between the fuel cell members that cause gas leakage. For example, the joining portion 18 a provided between the frames 12 shown in FIG. 1 and the joining portion 18 b provided between the fuel cell separator (the anode electrode separator 14 and the cathode electrode separator 16) and the frame 12 include the gas leakage suppression member 44. It may be. Alternatively, it may be between the joint 18 a and the frame 12 and the membrane-electrode assembly 10, and between the joint 18 b and the fuel cell separator and the frame 12.

しかし、発電時に生成する水(過酸化水素、OHラジカル等も含む)と接触する機会が多い点で、図5,6に示すフレーム12の開口部42の内周42a(図6では、切り欠いた部分の内周42a)とリブ34の端部34aとの間、図7に示すリブ34の頂面34t上(すなわち、リブ34の頂面34tと拡散層との間)等のリブ34と隣接する燃料電池部材との間に、ガス漏れ抑制部材44が配置されることが好ましい。さらに、リブ34と隣接する燃料電池部材との間でのガス漏れは、主に図5に示すフレーム12の開口部42の内周42aとリブ34の端部34aとの間で起こり易い。そのため、ガス漏れ抑制部材44は、上記説明したフレーム12の開口部42の内周42aとリブ34の端部34aとの間に設けられることが好ましい。   However, the inner periphery 42a of the opening 42 of the frame 12 shown in FIGS. 5 and 6 (notched in FIG. 6) is that there are many opportunities to come into contact with water (including hydrogen peroxide and OH radicals) generated during power generation. Between the inner circumference 42a) of the portion and the end 34a of the rib 34, and on the top surface 34t of the rib 34 shown in FIG. 7 (that is, between the top surface 34t of the rib 34 and the diffusion layer) It is preferable that the gas leakage suppression member 44 is disposed between adjacent fuel cell members. Further, gas leakage between the rib 34 and the adjacent fuel cell member is likely to occur mainly between the inner periphery 42a of the opening 42 of the frame 12 and the end 34a of the rib 34 shown in FIG. Therefore, the gas leakage suppression member 44 is preferably provided between the inner periphery 42 a of the opening 42 of the frame 12 described above and the end 34 a of the rib 34.

次に、図1、2、5を用いて、燃料電池1の発電によって生じる水(過酸化水素、OHラジカル等の酸化剤も含む)の流れについて説明する。燃料電池1の発電によって、図1に示すカソード極触媒層24上で生じた水は、カソード極拡散層28を介して、カソード極セパレータ16のカソードガス流路32を流れ、燃料電池1外へ排水される。または、カソード極触媒層24上で生成した水は、電解質膜20を通過し、アノード極触媒層22、アノード極拡散層26を介してアノード極セパレータ14のアノードガス流路30を流れ、燃料電池1外へ排水される。   Next, the flow of water (including oxidants such as hydrogen peroxide and OH radicals) generated by power generation of the fuel cell 1 will be described with reference to FIGS. The water generated on the cathode electrode catalyst layer 24 shown in FIG. 1 by the power generation of the fuel cell 1 flows through the cathode electrode diffusion layer 28 through the cathode gas flow path 32 of the cathode electrode separator 16 and out of the fuel cell 1. Drained. Alternatively, the water generated on the cathode electrode catalyst layer 24 passes through the electrolyte membrane 20 and flows through the anode gas flow path 30 of the anode electrode separator 14 via the anode electrode catalyst layer 22 and the anode electrode diffusion layer 26, and the fuel cell. 1 Drained outside.

例えば、図5、6に示すリブ34とフレーム12の開口部42の内周42aとの間、図7に示すリブ34の頂面34t(頂面34tと拡散層との間)に設けられているガス漏れ抑制部材44は、反応ガス流路(アノードガス流路30、カソードガス流路32)を通る水(過酸化水素、OHラジカル等も含む)と接触する機会が多い。また、その他上記説明した隣接する燃料電池部材間、例えば、フレーム12間、フレーム12と燃料電池用セパレータ間等も、燃料電池1の発電時に生成した水と接触する場合がある。   For example, it is provided between the rib 34 shown in FIGS. 5 and 6 and the inner periphery 42a of the opening 42 of the frame 12, and on the top surface 34t (between the top surface 34t and the diffusion layer) of the rib 34 shown in FIG. The gas leakage suppression member 44 is often in contact with water (including hydrogen peroxide, OH radicals, etc.) passing through the reaction gas channel (the anode gas channel 30 and the cathode gas channel 32). In addition, the adjacent fuel cell members described above, for example, between the frames 12, between the frame 12 and the fuel cell separator, and the like may also come into contact with water generated during power generation of the fuel cell 1.

例えば、通常のガス漏れ抑制部材を構成する材料として、シリコン系樹脂が用いられる場合には、上記水(過酸化水素、OHラジカル等も含む)とガス漏れ抑制部材とが反応して、ガス漏れ抑制部材からシリコン系物質が溶出される。溶出したシリコン系物質が、膜−電極アッセンブリを構成する電解質膜に付着すると、電解質膜の膨張、固化等の劣化を引き起こし、燃料電池の発電性能を低下させる場合がある。   For example, when a silicon-based resin is used as a material constituting a normal gas leakage suppression member, the above water (including hydrogen peroxide, OH radicals, etc.) reacts with the gas leakage suppression member to cause gas leakage. The silicon-based material is eluted from the suppressing member. If the eluted silicon-based material adheres to the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly, it may cause deterioration such as expansion and solidification of the electrolyte membrane, thereby reducing the power generation performance of the fuel cell.

そこで本実施形態において、ガス漏れ抑制部材44は、後述する膜−電極アッセンブリ10に使用される材料から構成されている。燃料電池1の発電によって生じる水(過酸化水素、OHラジカル等も含む)と膜−電極アッセンブリ10に使用される材料から構成されるガス漏れ抑制部材44とが反応すると、ガス漏れ抑制部材44から溶出物が溶出される。しかし、溶出物は、膜−電極アッセンブリ10に使用される材料から溶出されるものであるため、膜−電極アッセンブリ10を劣化させる物質はほとんど含まれていない。例えば、シリコン系物質が電解質膜20に付着することによる、電解質膜20の膨張、固化等の劣化を引き起こす物質はほとんど含まれていない。以下、膜−電極アッセンブリ10の構成部材及び使用材料を説明する。   Therefore, in this embodiment, the gas leakage suppression member 44 is made of a material used for the membrane-electrode assembly 10 described later. When water (including hydrogen peroxide, OH radicals, etc.) generated by the power generation of the fuel cell 1 reacts with the gas leak suppressing member 44 composed of the material used for the membrane-electrode assembly 10, the gas leak suppressing member 44 The eluate is eluted. However, since the eluate is eluted from the material used for the membrane-electrode assembly 10, the substance that degrades the membrane-electrode assembly 10 is hardly contained. For example, a substance that causes deterioration such as expansion and solidification of the electrolyte membrane 20 due to adhesion of a silicon-based material to the electrolyte membrane 20 is hardly included. Hereinafter, the structural members and materials used of the membrane-electrode assembly 10 will be described.

膜−電極アッセンブリ10の構成部材としてのアノード極触媒層22、カソード極触媒層24は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンと電解質等とを混合してアノード極拡散層26、又はカソード極拡散層28上に成膜することにより形成される。本実施形態で使用される電解質としては、プロトン電導性を有するものであり、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロスルホン酸系の電解質、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等のフッ素系電解質、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等の炭化水素系電解質等が挙げられる。本実施形態に用いられる電解質は、耐熱性、化学的安定性等に優れることから、フッ素原子を含むものが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーが好ましい。   The anode electrode catalyst layer 22 and the cathode electrode catalyst layer 24 as constituent members of the membrane-electrode assembly 10 include, for example, an anode electrode diffusion layer 26 obtained by mixing carbon carrying a metal catalyst such as platinum or ruthenium with an electrolyte. Alternatively, it is formed by forming a film on the cathode electrode diffusion layer 28. The electrolyte used in the present embodiment has proton conductivity. For example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, Asahi Glass) Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorosulfonic acid electrolyte, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene Fluorine electrolytes such as g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfone Acid, polybenzimidazole alkyl sulphonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, hydrocarbon electrolytes such as polyphenylsulfone acid. The electrolyte used in the present embodiment is preferably one containing a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, etc. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei) Perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

上記アノード極触媒層22、カソード極触媒層24に使用される材料のうち、上記電解質、金属触媒を担持したカーボンと電解質等とを混合したものが、本実施形態のガス漏れ抑制部材44を構成する材料として用いることができる。例えば、上記電解質をリブ34とフレーム12の開口部42との間に塗布し、熱硬化させることによって、ガス漏れ抑制部材44(例えば図5に示す)が形成される。   Among the materials used for the anode electrode catalyst layer 22 and the cathode electrode catalyst layer 24, a mixture of the electrolyte, carbon carrying a metal catalyst, and an electrolyte constitutes the gas leakage suppressing member 44 of the present embodiment. It can be used as a material. For example, the gas leakage suppressing member 44 (for example, shown in FIG. 5) is formed by applying the electrolyte between the rib 34 and the opening 42 of the frame 12 and curing it.

また、上記電解質をガス漏れ抑制部材44に用いる場合には、下記のような可塑剤等を添加してもよい。可塑剤としては、例えば、アジピン酸エステル等の脂肪族ジカルボン酸エステル系化合物、リン酸エステル系化合物等を使用することができる。アジピン酸エステルは、特に限定されるものではなく、例えば、アジピン酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、アジピン酸ジブチル、アジピン酸ジイソブチル、アジピン酸ジイソプロピル、アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジイソノニル、アジピン酸ジデシル等を使用することができる。リン酸エステルも、特に限定されるものではなく、例えば、トリフェニルフォスフェート、トリクレジルフォスフェート、クレジルジフェニルフォスフェート、トリオクチルフォスフェート、トリブチルフォスフェート等を使用することができる。   Moreover, when using the said electrolyte for the gas leak suppression member 44, you may add the following plasticizers. As the plasticizer, for example, aliphatic dicarboxylic acid ester compounds such as adipic acid esters, phosphoric acid ester compounds, and the like can be used. The adipate is not particularly limited, and for example, dimethyl adipate, diethyl adipate, dibutyl adipate, diisobutyl adipate, diisopropyl adipate, dioctyl adipate, diisononyl adipate, didecyl adipate, etc. are used. be able to. The phosphate ester is not particularly limited, and for example, triphenyl phosphate, tricresyl phosphate, cresyl diphenyl phosphate, trioctyl phosphate, tributyl phosphate, and the like can be used.

膜−電極アッセンブリ10の構成部材としての電解質膜20は、プロトン伝導性を有する電解質から構成される膜が挙げられる。電解質膜20としては、例えば、デュポン社製の各種のナフィオン(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜等、一般的に市販されている高分子電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等の液体電解質を含浸させた膜、多孔質体にプロトン伝導性電解質を充填させた膜等が挙げられる。電解質膜20に用いられる電解質と、上記アノード極触媒層22及びカソード極触媒層24に用いられる電解質とは、同じものであっても異なるものであってもよい。   Examples of the electrolyte membrane 20 as a constituent member of the membrane-electrode assembly 10 include a membrane made of an electrolyte having proton conductivity. Examples of the electrolyte membrane 20 include various Nafion (DuPont registered trademark) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes typified by Flemion, ion exchange resin manufactured by Dow Chemical, and ethylene-tetrafluoroethylene copolymer. Fluoropolymer electrolyte membranes such as coalescence resin membranes, resin membranes based on trifluorostyrene, hydrocarbon resin membranes having sulfonic acid groups, etc. A polymer microporous membrane made of tetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like is impregnated with a liquid electrolyte such as phosphoric acid or ionic liquid, and the porous material is filled with a proton conductive electrolyte And the like. The electrolyte used for the electrolyte membrane 20 and the electrolyte used for the anode electrode catalyst layer 22 and the cathode electrode catalyst layer 24 may be the same or different.

電解質膜20に使用される電解質は、上記同様にガス漏れ抑制部材44を構成する材料として用いることができる。また、上記説明した可塑剤等を添加してもよい。   The electrolyte used for the electrolyte membrane 20 can be used as a material constituting the gas leakage suppression member 44 as described above. Moreover, you may add the plasticizer etc. which were demonstrated above.

膜−電極アッセンブリ10の構成部材としてのアノード極拡散層26、カソード極拡散層28は、例えば、カーボンクロス等の多孔質導電性材料等が用いられる。また、アノード極拡散層26、カソード極拡散層28内の水分の排水性を高めるために、多孔質導電性材料に撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂等、又は上記これらの樹脂にカーボン粒子、カーボン繊維等が含有したペースト等が挙げられる。   The anode electrode diffusion layer 26 and the cathode electrode diffusion layer 28 as constituent members of the membrane-electrode assembly 10 are made of, for example, a porous conductive material such as carbon cloth. Further, in order to enhance the drainage of moisture in the anode electrode diffusion layer 26 and the cathode electrode diffusion layer 28, it is preferable that the porous conductive material contains a water repellent. The water repellent is a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), a polyolefin resin such as polypropylene or polyethylene, or the above. Examples of these resins include pastes containing carbon particles, carbon fibers, and the like.

アノード極拡散層26及びカソード極拡散層28に使用される材料のうち、上記撥水剤は、本実施形態のガス漏れ抑制部材44を構成する材料として用いることができる。また、上記説明した可塑剤を添加してもよい。   Of the materials used for the anode electrode diffusion layer 26 and the cathode electrode diffusion layer 28, the water repellent can be used as a material constituting the gas leakage suppressing member 44 of the present embodiment. Moreover, you may add the plasticizer demonstrated above.

このように、反応ガスのガス漏れを抑制し、膜−電極アッセンブリ10の劣化を抑制する本実施形態のガス漏れ抑制部材44には、上記説明した電解質、金属触媒を担持したカーボンと電解質とを混合したもの、撥水剤等の膜−電極アッセンブリ10に使用される材料を用いることができる。   Thus, the gas leakage suppressing member 44 of the present embodiment that suppresses the gas leakage of the reaction gas and suppresses the deterioration of the membrane-electrode assembly 10 includes the above-described electrolyte, carbon carrying a metal catalyst, and an electrolyte. A material used for the membrane-electrode assembly 10 such as a mixed material or a water repellent can be used.

膜−電極アッセンブリ10に使用される材料のうち、本実施形態のガス漏れ抑制部材44を構成する材料は、製造コスト、作業性等の点で、電解質又は撥水剤であることが好ましい。   Of the materials used for the membrane-electrode assembly 10, the material constituting the gas leakage suppressing member 44 of the present embodiment is preferably an electrolyte or a water repellent in terms of manufacturing cost, workability, and the like.

本実施形態に用いられるアノード極セパレータ14、カソード極セパレータ16は、金属板、カーボン板等の導電性材料により構成されている。   The anode separator 14 and the cathode separator 16 used in this embodiment are made of a conductive material such as a metal plate or a carbon plate.

本実施形態に用いられるフレーム12は、膜−電極アッセンブリ10を固定するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂板等が使用される。   The frame 12 used in this embodiment is for fixing the membrane-electrode assembly 10, and a resin plate such as polyethylene or polypropylene is used.

本実施形態に用いられる接合部18aは、フレーム12同士をシールするものであり、18bは、燃料電池用セパレータ(アノード極セパレータ14、カソード極セパレータ16)とフレーム12とをシールするものである。接合部18a,18bを構成する材料は、上記でも説明したように、膜−電極アッセンブリ10に使用される材料であることが好ましいが、必ずしも膜−電極アッセンブリ10に使用される材料である必要はなく、接着性を確保する点で、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂等であってもよい。また、熱硬化性樹脂等に上記可塑剤等を添加してもよい。   The joint 18a used in the present embodiment seals the frames 12, and 18b seals the fuel cell separator (the anode electrode separator 14 and the cathode electrode separator 16) and the frame 12. As described above, the material constituting the joints 18a and 18b is preferably a material used for the membrane-electrode assembly 10, but it is not necessarily required to be a material used for the membrane-electrode assembly 10. In view of securing adhesiveness, a thermosetting resin such as an epoxy resin or a phenol resin may be used. Moreover, you may add the said plasticizer etc. to a thermosetting resin.

以上のように、本実施形態の燃料電池では、隣接する燃料電池部材間の反応ガスのガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材に、膜−電極アッセンブリに使用される材料を用いることによって、燃料電池の発電の際に生じる水(過酸化水素、OHラジカル等も含む)とガス漏れ抑制部材とが反応しても、膜−電極アッセンブリを劣化させる物質の溶出を抑制することができる。そのため、膜−電極アッセンブリの性能の低下を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。   As described above, in the fuel cell according to the present embodiment, the material used for the membrane-electrode assembly is used for the gas leakage suppression member that suppresses the gas leakage of the reaction gas between the adjacent fuel cell members. Even when water (including hydrogen peroxide, OH radicals, etc.) generated during power generation reacts with the gas leakage suppressing member, elution of a substance that degrades the membrane-electrode assembly can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the performance of the membrane-electrode assembly and to suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell.

次に、ガス漏れ抑制部材の形成方法について説明する。   Next, a method for forming the gas leakage suppression member will be described.

例えば、燃料電池用セパレータのリブ34とフレーム12の開口部42の内周42aとの間(図5、6に示すガス漏れ抑制部材44)、燃料電池用セパレータのリブ34の頂面34t(図7に示すガス漏れ抑制部材44)に、エアスプレーガン、デスペンサ、アプリケータ、スクリーン印刷、ロールコート等を用いて、上記説明した電解質、撥水剤等を配置する。   For example, between the rib 34 of the fuel cell separator and the inner periphery 42a of the opening 42 of the frame 12 (the gas leakage suppression member 44 shown in FIGS. 5 and 6), the top surface 34t (see FIG. 5) of the rib 34 of the fuel cell separator. The above-described electrolyte, water repellent, and the like are disposed on the gas leakage suppression member 44) shown in Fig. 7 using an air spray gun, a dispenser, an applicator, screen printing, a roll coat, or the like.

上記箇所に配置した後、上記電解質、撥水剤等を硬化させる。硬化条件は、特に制限されるものではないが、例えば、80℃〜150℃で、5分〜30分間の範囲が好ましい。これにより、例えば、リブ34とフレーム12の開口部42の内周42aとの間、リブ34の頂面34tと拡散層との間からの反応ガスのガス漏れを抑制し、燃料電池の発電時に生成する水(過酸化水素水、OHラジカル等も含む)と反応しても膜−電極アッセンブリ10を劣化させる物質がほとんど溶出しないガス漏れ抑制部材44が形成される。   After disposing at the above location, the electrolyte, water repellent and the like are cured. The curing conditions are not particularly limited, but for example, a range of 80 ° C. to 150 ° C. and 5 minutes to 30 minutes is preferable. Thereby, for example, the gas leakage of the reaction gas from between the rib 34 and the inner periphery 42a of the opening 42 of the frame 12 and between the top surface 34t of the rib 34 and the diffusion layer is suppressed, and at the time of power generation of the fuel cell Even if it reacts with the generated water (including hydrogen peroxide, OH radicals, etc.), the gas leakage suppressing member 44 is formed in which a substance that degrades the membrane-electrode assembly 10 is hardly eluted.

以上のように、電解質、撥水剤等を燃料電池用セパレータのリブの端部との間、リブの頂面に配置し、硬化させることによって形成されたガス漏れ抑制部材は、膜−電極アッセンブリを劣化させる物質がほとんど溶出することはない。そのため、膜−電極アッセンブリの性能の低下を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。   As described above, the gas leakage suppression member formed by disposing the electrolyte, the water repellent, etc. between the rib end portions of the fuel cell separator and the top surface of the rib and curing the membrane-electrode assembly Almost no substance that degrades is eluted. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the performance of the membrane-electrode assembly and to suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell.

上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。   The fuel cell according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, and a household power source.

本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータの模式平面図である。It is a model top view of the separator for fuel cells used for this embodiment. 本実施形態に用いられるフレームの模式平面図である。It is a model top view of the flame | frame used for this embodiment. 燃料電池用セパレータ上にフレームを配置した状態を示す模式平面図である。It is a schematic plan view which shows the state which has arrange | positioned the flame | frame on the separator for fuel cells. 図4に示す点線枠Xにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。FIG. 5 is a partially enlarged schematic view of a fuel cell separator showing an example of a state in which a gas leakage suppression member according to the present embodiment is arranged in a dotted line frame X shown in FIG. 4. 図4に示す点線枠Xにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の他の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。FIG. 5 is a partially enlarged schematic view of a fuel cell separator showing another example of a state in which the gas leakage suppression member according to the present embodiment is arranged in the dotted line frame X shown in FIG. 4. 図4に示す点線枠Xにおいて本実施形態に係るガス漏れ抑制部材を配置した状態の他の一例を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式図である。FIG. 5 is a partially enlarged schematic view of a fuel cell separator showing another example of a state in which the gas leakage suppression member according to the present embodiment is arranged in the dotted line frame X shown in FIG. 4.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池、10 膜−電極アッセンブリ、12 フレーム、14 アノード極セパレータ、16 カソード極セパレータ、18a,18b 接合部、20 電解質膜、22 アノード極触媒層、24 カソード極触媒層、26 アノード極拡散層、28 カソード極拡散層、30 アノードガス流路、30 アノードガス流路、32 カソードガス流路、34 リブ、34a 端部、34t 頂面、36a アノードガス供給マニホールド、36b アノードガス排出マニホールド、38a カソードガス供給マニホールド、38b カソードガス排出マニホールド、40 冷媒供給排出マニホールド、42 開口部、42a 内周、44 ガス漏れ抑制部材。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 10 Membrane-electrode assembly, 12 Frame, 14 Anode electrode separator, 16 Cathode electrode separator, 18a, 18b Junction part, 20 Electrolyte membrane, 22 Anode electrode catalyst layer, 24 Cathode electrode catalyst layer, 26 Anode electrode diffusion layer , 28 Cathode pole diffusion layer, 30 Anode gas flow path, 30 Anode gas flow path, 32 Cathode gas flow path, 34 Rib, 34a End, 34t Top surface, 36a Anode gas supply manifold, 36b Anode gas discharge manifold, 38a Cathode Gas supply manifold, 38b Cathode gas discharge manifold, 40 Refrigerant supply / discharge manifold, 42 Opening, 42a Inner circumference, 44 Gas leakage suppression member.

Claims (5)

膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを介して配置される一対のフレームと、前記フレームの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、隣接する部材間のガス漏れを抑制するガス漏れ抑制部材とを有する燃料電池であって、
前記ガス漏れ抑制部材は、前記膜−電極アッセンブリに使用される材料であることを特徴とする燃料電池。
Membrane-electrode assembly, a pair of frames disposed via the membrane-electrode assembly, a pair of fuel cell separators disposed on both outer sides of the frame, and a gas that suppresses gas leakage between adjacent members A fuel cell having a leakage suppression member,
The fuel cell, wherein the gas leakage suppressing member is a material used for the membrane-electrode assembly.
請求項1記載の燃料電池であって、前記燃料電池用セパレータは、反応ガス流路を形成するリブを有し、
前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと隣接する部材との間に配置されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell separator has a rib that forms a reaction gas flow path,
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas leakage suppression member is disposed between the rib and an adjacent member.
請求項1又は2記載の燃料電池であって、前記フレームは、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路が形成されるリブが配置される開口部を有し、
前記ガス漏れ抑制部材は、前記リブと前記開口部の内周との間に配置されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the frame has an opening in which a rib in which a reaction gas flow path of the fuel cell separator is formed is disposed.
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas leakage suppression member is disposed between the rib and the inner periphery of the opening.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材は、前記燃料電池の発電時に生成する水と反応しても、前記膜−電極アッセンブリを劣化させる物質がほとんど溶出しないものであることを特徴とする燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas leakage suppression member is a substance that degrades the membrane-electrode assembly even if it reacts with water generated during power generation of the fuel cell. 5. A fuel cell characterized in that it hardly elutes. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池であって、前記ガス漏れ抑制部材は、前記膜−電極アッセンブリに使用される電解質又は撥水剤から構成されることを特徴とする燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas leakage suppression member is composed of an electrolyte or a water repellent used in the membrane-electrode assembly. battery.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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