JP2009283390A - Cell of fuel battery and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルとそれをセパレータで挟持して構成される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell configured by sandwiching the fuel cell with a separator.
燃料電池の1つとして固体高分子形燃料電池が知られている。図4は、その一例を示す断面図であり、電解質膜1の両面に触媒層と拡散層とをこの順で積層した電極層2を備えた膜電極接合体3が形成され、その両側に、ガス流路4を有するセパレータ5、5を積層して燃料電池されている。電極層2の周囲には電解質膜1aが張り出しており、この張り出した電解質膜部分1aとセパレータ5との間には、適宜の樹脂材料がガスケット(シール部材)6として充填されて、一体化とシール処理を施している。
A polymer electrolyte fuel cell is known as one of the fuel cells. FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example thereof. A
このような膜電極接合体3の成形過程で、各部材の熱膨張差や電解質膜の吸脱水に伴う膨張収縮による応力の影響で、電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じることがある。このような剥がれが生じると、ガスケットの成形に不具合が生じ、シール性が不十分となって、膜電極接合体の成形歩留まりが低下する。それに対処するために、特許文献1には、電極層の周縁を電解質膜に対して固定高分子電解質糸で縫い合わせて熱プレスすることが記載されている。また、特許文献2には、電解質膜の張出部にスルーホールを形成することにより、電解質膜とガスケットとの固定状態を改善すると共に、ガスケット用の樹脂を電極層の外周縁に含浸させることが記載されている。
In such a process of forming the membrane /
特許文献1に記載のように、糸を用いて電極層の周縁を電解質膜に対して縫い合わせることにより、電解質膜の膨潤と収縮によって電解質膜と電極層との間に剥離が生じるのを抑制することができる。しかし、糸により縫合した結果として、両電極層間に連通孔が形成され、発電したときに、連通孔と縫合糸の間の隙間を通してガスのクロスリークが生じる恐れがある。また、特許文献2に記載のように、ガスケットを成形するときに、ガスケット用の樹脂を電極層の外周縁に含浸させること等によって、膜電極接合体とセパレータの間に高いシール性を確保することができる。しかし、前記したように膜電極接合体の成形過程で、電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じている場合、ガスケットの成形が不十分となり、シール性を確保できなくなる恐れがある。
As described in
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、膜電極接合体の成形時に電解質膜と電極層との間に剥離が生じるのを抑制して、ガスケット成形時の不具合を解消して、成形歩留まりを向上させると共に、両電極層間でクロスリークが発生するのも抑制でき、また膜電極接合体とセパレータの間の充分なシール性も確保できる、燃料電池セルとそれをセパレータで挟持して構成される燃料電池を開示することを課題とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and suppresses the occurrence of peeling between the electrolyte membrane and the electrode layer during the formation of the membrane electrode assembly, thereby eliminating the problems during the molding of the gasket. In addition, the fuel cell and the separator can improve the molding yield, suppress the occurrence of cross-leakage between both electrode layers, and ensure sufficient sealing performance between the membrane electrode assembly and the separator. It is an object of the present invention to disclose a fuel cell that is sandwiched.
請求項1に記載の燃料電池セルは、電解質膜の両面に触媒層と拡散層からなる電極層を備えた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の周囲に形成したシール部材とを少なくとも備えた燃料電池セルであって、前記電極層の外周部は絶縁糸によって前記電解質膜に対して一体に縫い込まれており、前記シール部材は前記縫い込み部を越えて電極層の内側にまで入り込んでいることを特徴とする。
The fuel cell according to
上記の燃料電池セルでは、電極層の外周部は絶縁糸によって電解質膜に対して一体に縫い込まれており、膜電極接合体の作成時などにおいて、電解質膜の寸法変化によって電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じるのを阻止することができる。また、縫い合わせることの結果として、電解質膜と電極層の一体化に熱プレスをすることを要しないので、膜電極接合体の作成時に電解質膜に熱履歴が加わることはなく、それによっても電解質膜と電極層との界面に剥がれが生じるのを抑制できる。それにより、ガスケットのようなシール部材を膜電極接合体の周囲に設計値どおりに成形することが可能となる。また、縫い合わせた領域は、さらにその内側(電極層の中央部側)までがシール部材を構成する樹脂材料によって覆われるので、発電中に、縫合時に生じた貫通孔を通してガスのクロスリークが発生することもない。そのために、本発明によれば、高性能であり且つ耐久性に優れた燃料電池セルが得られる。 In the fuel cell described above, the outer peripheral portion of the electrode layer is integrally sewn to the electrolyte membrane by the insulating thread, and the electrolyte membrane and the electrode layer are changed due to the dimensional change of the electrolyte membrane when the membrane electrode assembly is formed. It is possible to prevent the peeling at the interface with. In addition, as a result of stitching, it is not necessary to heat press to integrate the electrolyte membrane and the electrode layer, so that no thermal history is added to the electrolyte membrane during the production of the membrane electrode assembly, and the electrolyte membrane Can be prevented from peeling off at the interface between the electrode layer and the electrode layer. Thereby, a sealing member such as a gasket can be formed around the membrane electrode assembly as designed. Further, since the seamed area is further covered by the resin material constituting the sealing member to the inner side (the center part side of the electrode layer), gas cross-leakage occurs through the through-hole generated during sewing during power generation. There is nothing. Therefore, according to the present invention, a fuel battery cell having high performance and excellent durability can be obtained.
請求項2に記載の燃料電池セルは、請求項1に記載の燃料電池セルにおいて、電極層における前記拡散層は触媒層の周囲から延出する大きさであり、拡散層の前記延出部の領域において、前記絶縁糸による縫い込みが行われていることを特徴とする。
The fuel cell according to
請求項1に記載の燃料電池セルにおいて、電極層を形成する触媒層と拡散層は同じ大きさであってもよい。上記請求項2に記載の燃料電池セルでは、拡散層は触媒層の周囲から延出する大きさであり、縫い込みにより、拡散層が直接電解質膜と密着する。拡散層は一般にカーボン繊維のシートやペーパーが用いられ、熱プレスにより一体化するときには、拡散層のカーボン繊維が突き刺さって電解質膜を損傷し短絡を生じさせることがあるが、請求項2に記載の燃料電池セルでは、熱プレスによらず縫い合わせにより拡散層と電解質膜とを一体化するので、繊維の突き刺さりによる電解質膜が損傷するのを大きく低減することができる。
In the fuel cell according to
請求項3に記載の燃料電池セルは、上記請求項2に記載の燃料電池セルにおいて、拡散層の前記延出部と前記電解質膜との間には樹脂フィルムからなるシール材料が挿入されており、前記シール材料も含めて前記絶縁糸により一体に縫い込まれていることを特徴する。シール材料の樹脂フィルムに特に制限はないが、PEN樹脂フィルム、PET樹脂フィルムなどが好適である。シール材料の厚さは電極層を構成する触媒層と同じかそれよりもわずかに厚いことが好ましい。
The fuel cell according to
請求項3に記載の燃料電池セルでは、樹脂フィルムからなるシール材料が挿入されることにより、電解質膜が損傷するのをさらに確実に阻止することができる。 In the fuel cell according to the third aspect, it is possible to further reliably prevent the electrolyte membrane from being damaged by inserting the sealing material made of the resin film.
請求項4に係る発明は、請求項1〜3に記載のいずれかの燃料電池セルがセパレータによって挟持されており、前記膜電極接合体と前記セパレータの間は前記シール部材によってシールされていることを特徴とする燃料電池である。
In the invention according to claim 4, the fuel cell according to any one of
上記のように、本発明による燃料電池セルでは、膜電極接合体の作成時などに電解質膜と電極層との間に剥離が生じるのを確実に抑制できるので、膜電極接合体の周囲にガスケットのようなシール部材を設計値どおりに成形することができる。そのために、燃料電池セルの成形歩留まりは向上する。さらに、発電時に、両電極間にガスのクロスリークが発生するのも確実に抑制できるので、高性能であり且つ耐久性のある燃料電池セルおよびそれをセパレータで挟持した燃料電池が得られる。 As described above, in the fuel cell according to the present invention, it is possible to reliably suppress the separation between the electrolyte membrane and the electrode layer when the membrane electrode assembly is formed. Such a sealing member can be formed as designed. Therefore, the molding yield of the fuel battery cell is improved. Furthermore, since it is possible to reliably suppress the occurrence of gas cross-leakage between both electrodes during power generation, a high-performance and durable fuel battery cell and a fuel battery having the separator sandwiched between them can be obtained.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態により説明する。
[第1形態]
図1に示す第1形態において、燃料電池セルA1は、膜電極接合体10と、ガスケット20とからなる。図1(a)に示すように、膜電極接合体10は、プロトン交換基として例えばスルホン酸基を持つプロトン伝導性を備えた電解質膜11と、その両面に積層配置した電極層12とで構成される。電極層12は、電解質膜11に面する触媒層13とその外側に積層する拡散層14とからなる。
Hereinafter, the present invention will be described by way of embodiments with reference to the drawings.
[First form]
In the first embodiment shown in FIG. 1, the fuel battery cell A <b> 1 includes a
触媒層13は、電解質樹脂と触媒担持導電体とを含む触媒混合物で形成される。前記触媒には主に白金系の金属が用いられ、該触媒を担持する導電体にはカーボン粉末が主に用いられる。拡散層14は、主にカーボンペーパーまたはカーボンクロス等で構成される。
The
図1に示す膜電極接合体10において、拡散層14は触媒層13の周囲から外側に延出する領域15を有しており、電解質膜11は拡散層14の周囲からさらに張り出した大きさとなっている。そして、拡散層14の触媒層13から延出した領域15と電解質膜11との間には、例えばPENまたはPETなどである樹脂フィルムからなるシール材料16が挿入されており、該シール材料16の外縁は電解質膜11の外縁にまで達している。
In the
上記膜電極接合体10の作成は、例えば、電解質膜11の両面に電解質樹脂と触媒担持導電体とを含む触媒混合物と適宜の溶媒を混合したインク状の混合物をスクリーン印刷し乾燥することで触媒層13を形成し、その後に、拡散層14を積層して熱プレスするような方法で、作成することができる。
The
次に、図1(b)に示すように、そのようにして作成した膜電極接合体10における、上下の拡散層14、14の前記触媒層13、13から延出した領域15、15の部分を、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、PEN、PET、PTFEなどである絶縁材料で作った絶縁糸17を用いて、前記シール材料16、16と電解質膜11と共に縫い合わせる。それにより、電解質膜11と電極層12およびシール材料16は一体に縫合され、電解質膜11の膨張収縮によって、電解質膜11と電極層12を構成する拡散層14との間に剥がれが生じるのは阻止される。
Next, as shown in FIG. 1 (b), in the membrane /
次に、上記のようにして絶縁糸17で一体に縫い合わせた膜電極接合体10を図示しない成形型に入れ、例えばシリコーン樹脂によって、膜電極接合体10の周囲にシール部材としてのガスケット20を射出成形することによって、燃料電池セルA1とされる。その際に、図1(c)に示されるように、ガスケット20を構成する樹脂が、前記絶縁糸17による縫い合わせ位置よりも内側位置21、すなわち電極層12のより中央部側にまで達するようにして、ガスケット20の射出成形を行う。これにより、絶縁糸17によってできた電解質膜11の穴部を通して、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークするのは完全に阻止される。また、膜電極接合体10の各部材は絶縁糸17によって一体に縫い合わされており、製造の過程で部材間に剥がれが生じることはなく、ガスケット20の成形は設計値どおりに、不都合なく行われる。
Next, the
また、上記のように、電解質膜11に対する電極層12の一体化は、熱プレスを行うことなく絶縁糸17による縫い合わせのみによって行われるので、電解質膜11の損傷も防止できる。さらに、この形態では、拡散層14の触媒層13から延出した領域15と電解質膜11との間に樹脂フィルムからなるシール材料16が挿入されており、高いシール性も達成できる。
Further, as described above, the integration of the
図1(c)に示した燃料電池セルA1の両側に、従来知られたセパレータを配置して挟持することにより、図示しない燃料電池とされるが、膜電極接合体10の周囲に形成されたガスケット20は所期どおりのものであり、膜電極接合体10とセパレータ20の間には高いシール性が確保される。そのために、高性能でありかつ耐久性のある燃料電池が得られる。
Although a conventionally known separator is disposed and sandwiched on both sides of the fuel cell A1 shown in FIG. 1C, a fuel cell (not shown) is formed, but formed around the
[第2形態]
図2は本発明による燃料電池セルの第2形態を示す。この燃料電池セルA2は、電極層12を構成する触媒層13と拡散層14の大きさが同じであり、従って、シール材料16を有しない点で、図1に示した第1の形態の燃料電池セルA1と相違している。他の構成は、第1の形態の燃料電池セルA1と同じであり、同じ符号を付している。
[Second form]
FIG. 2 shows a second embodiment of the fuel battery cell according to the present invention. In this fuel cell A2, the size of the
図2(a)に示すように、燃料電池セルA1の場合とほぼ同様にして膜電極接合体10を作成し、次に、図2(b)に示すように、電極層12の周囲を絶縁糸17で縫い合わせて、上下の電極層12,12と電解質膜11とを一体化する。次に、それを図示しない成形型に入れ、例えばシリコーン樹脂によって、膜電極接合体10の周囲にシール部材としてのガスケット20を射出成形することによって、燃料電池セルA2とされる。
As shown in FIG. 2 (a), a
[第3形態]
図3は本発明による燃料電池セルの第3形態を示す。この燃料電池セルA3は、拡散層14が触媒層13より大きいこと、電解質膜11は拡散層より大きさことは、図1に示した第1の形態の燃料電池セルA1と同じであるが、拡散層14の触媒層13から延出した領域15と電解質膜11との間に樹脂フィルムからなるシール材料16を備えない点で、第1の形態の燃料電池セルA1と相違している。他の構成は、第1の形態の燃料電池セルA1と同じであり、同じ符号を付している。
[Third embodiment]
FIG. 3 shows a third embodiment of the fuel battery cell according to the present invention. The fuel cell A3 is the same as the fuel cell A1 of the first embodiment shown in FIG. 1 in that the
この形態でも、図3(a)に示すように、燃料電池セルA1の場合とほぼ同様にして膜電極接合体10を作成し、次に、図3(b)に示すように、拡散層14の前記延出している領域15の箇所を絶縁糸17で縫い合わせる。それにより、上下の電極層12,12を構成する拡散層14,14と電解質膜11とは一体化する。カーボン繊維で作られる拡散層14が直接電解質膜11に接することとなるが、熱プレスによる一体化を必要としないので、電解質膜11が損傷することはない。次に、それを図示しない成形型に入れ、例えばシリコーン樹脂によって、膜電極接合体10の周囲にシール部材としてのガスケット20を射出成形することによって、燃料電池セルA3とされる。
Also in this embodiment, as shown in FIG. 3A, the
この場合も、燃料電池セルA2、A3の両側に、従来知られたセパレータを配置して挟持することにより、図示しない燃料電池とされるが、燃料電池セルA1の場合と同様、膜電極接合体10の周囲に形成されたガスケット20は所期どおりのものであり、膜電極接合体10とセパレータ20の間には高いシール性が確保される。そのために、第2の形態および第3の形態においても、高性能でありかつ耐久性のある燃料電池が得られる。
In this case as well, a conventionally known separator is disposed and sandwiched on both sides of the fuel cells A2 and A3 to form a fuel cell (not shown). However, as in the case of the fuel cell A1, the membrane electrode assembly The
A1〜A3…燃料電池セル、10…膜電極接合体、11…電解質膜、12…電極層、13…触媒層、14…拡散層、15…拡散層が触媒層よりも延出している領域、16…樹脂フィルムからなるシール材料、17…絶縁糸、20ガスケット(シール部材)、21…シール部材が縫い込み部を越えて電極層の内側にまで入り込んでいる部分 A1 to A3 ... fuel cell, 10 ... membrane electrode assembly, 11 ... electrolyte membrane, 12 ... electrode layer, 13 ... catalyst layer, 14 ... diffusion layer, 15 ... region where the diffusion layer extends beyond the catalyst layer, 16 ... Seal material made of a resin film, 17 ... Insulating thread, 20 gasket (seal member), 21 ... Part where the seal member enters the electrode layer beyond the stitched portion
Claims (4)
前記電極層の外周部は絶縁糸によって前記電解質膜に対して一体に縫い込まれており、前記シール部材は前記縫い込み部を越えて電極層の内側にまで入り込んでいることを特徴とする燃料電池セル。 A fuel cell comprising at least a membrane electrode assembly comprising an electrode layer comprising a catalyst layer and a diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane, and a seal member formed around the membrane electrode assembly,
The outer peripheral portion of the electrode layer is integrally sewn to the electrolyte membrane with an insulating thread, and the seal member extends beyond the sewn portion to the inside of the electrode layer. Battery cell.
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JP2008136519A JP2009283390A (en) | 2008-05-26 | 2008-05-26 | Cell of fuel battery and fuel battery |
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Cited By (1)
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JP2011228187A (en) * | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Panasonic Corp | Fuel cell |
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2008
- 2008-05-26 JP JP2008136519A patent/JP2009283390A/en active Pending
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JP2011228187A (en) * | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Panasonic Corp | Fuel cell |
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