JP2010170914A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に係り、特に、エキスパンドメタルからなる金属多孔体をガス流路層として備える燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell including a porous metal body made of expanded metal as a gas flow path layer.
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層(電極層)とから膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を形成し、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのアノード側およびカソード側のガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が挟持して電極体(MEGA)を形成し、この電極体を直線状もしくは蛇行状のガス流路溝が一体に形成されたセパレータが挟持して構成されている。なお、このセパレータには、ガス流路層をたとえば特許文献1で開示されるようなエキスパンドメタルや金属発泡焼結体から形成してセパレータから分離させた、いわゆるフラットタイプ型のセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの燃料電池セルを所定数積層することによって形成されている。
A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer (electrode layer) sandwiching the electrolyte membrane. Gas diffusion layers (GDL: Gas Diffusion Layer) for collecting electricity generated by electrochemical reaction while providing fuel gas or oxidant gas to the membrane electrode assembly Is sandwiched to form an electrode body (MEGA), and this electrode body is configured by sandwiching a separator in which linear or meandering gas flow channel grooves are integrally formed. As this separator, there is also a so-called flat type separator in which the gas flow path layer is formed from, for example, an expanded metal or a metal foam sintered body disclosed in
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層(またはセパレータのガス流路溝)にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has its own gas channel layer (or the gas channel of the separator). The gas flows in the in-plane direction at the groove), and then the gas diffused in the gas diffusion layer is guided to the catalyst layer to cause an electrochemical reaction.
燃料電池の組み付けにおいては、所定数の燃料電池セルを積層し、この両側端からテンションプレートを介して所与の圧縮力が付与されてスタッキングがおこなわれる。この圧縮力は、燃料電池セルの構成部材間(セパレータとガス拡散層の間や、ガス拡散層と膜電極接合体の間など)の界面の密着性を高め、もって界面における接触抵抗を可及的に低減させるようにその大きさが調整されている。さらには、燃料電池の使用環境(高負荷発電時の高温環境では構成部材が膨張したりガス圧が増加する、など)によって構成部材界面での相対的な圧縮力は変化するし、発電経過にともなう構成部材の厚み低減にともなって相対的な圧縮力が変化することなどから、これらを加味してスタッキング所期の圧縮力が設定されている。 In assembling the fuel cell, a predetermined number of fuel cells are stacked and stacking is performed by applying a given compressive force from both side ends via tension plates. This compressive force enhances the adhesion at the interface between the constituent members of the fuel cell (such as between the separator and the gas diffusion layer, or between the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly), thereby enabling contact resistance at the interface. The size is adjusted so as to reduce it. Furthermore, the relative compressive force at the component interface changes depending on the usage environment of the fuel cell (for example, the component member expands or the gas pressure increases in a high temperature environment during high load power generation). Since the relative compressive force changes with the thickness reduction of the accompanying component, the compressive force desired for stacking is set in consideration of these factors.
スタッキング時に上記圧縮力が各燃料電池セルに作用すると、その構成部材であるセパレータや金属多孔体からなるガス流路層を介して、膜電極接合体やガス拡散層に圧縮力が伝達される。 When the compressive force acts on each fuel cell at the time of stacking, the compressive force is transmitted to the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer through the gas flow path layer made of a separator or a metal porous body as its constituent members.
ガス流路層を形成する金属多孔体としては上記するエキスパンドメタルや金属発泡焼結体があるが、たとえばエキスパンドメタルからなるガス流路層を有する燃料電池セルにおいては、上記する圧縮力がエキスパンドメタルの電極体側のエッジから、たとえばガス拡散層へ集中的に作用することは理解に易い。これを燃料電池セルのカソード側の構造を図示した図4を参照して説明する。図示する燃料電池セルは、電解質膜a1とカソード側およびアノード側の触媒層a2とから膜電極接合体aが形成され、これを拡散層基材b1と集電層b2(MPL)とからなるカソード側およびアノード側のガス拡散層bが挟持して電極体cを形成し、ガス拡散層bにガス流路層となるエキスパンドメタルeが当接し、エキスパンドメタルeにたとえば3層構造のフラットタイプセパレータfが当接して燃料電池セルが構成されている。なお、一般には、電解質膜a1のうち、触媒層a2で被覆されていない周縁の露出領域には、拡散層基材b1との間に保護フィルムdが介層されており、これが拡散層基材d1から突出する毛羽が電解質膜a1に突き刺さるのを効果的に防護している。 Examples of the metal porous body forming the gas flow path layer include the expanded metal and the metal foam sintered body described above. For example, in the fuel cell having the gas flow path layer made of expanded metal, the above compressive force is expanded metal. It is easy to understand that it acts from the edge of the electrode body side to the gas diffusion layer, for example. This will be described with reference to FIG. 4 illustrating the structure of the fuel cell on the cathode side. In the illustrated fuel cell, a membrane electrode assembly a is formed from an electrolyte membrane a1 and a cathode-side and anode-side catalyst layer a2, and this is formed into a cathode comprising a diffusion layer base material b1 and a current collecting layer b2 (MPL). An electrode body c is formed by sandwiching the gas diffusion layer b on the side and the anode side, an expanded metal e serving as a gas flow path layer contacts the gas diffusion layer b, and a flat type separator having a three-layer structure, for example, The fuel cell is constituted by contact of f. In general, a protective film d is interposed between the diffusion layer substrate b1 and an exposed region of the peripheral edge of the electrolyte membrane a1 that is not covered with the catalyst layer a2, and this is the diffusion layer substrate. It effectively protects the fluff protruding from d1 from piercing the electrolyte membrane a1.
図示する燃料電池セルが所定数積層され、スタッキングされた際には、各燃料電池セルにスタッキング時の圧縮力P(締結力)がセパレータfを介してエキスパンドメタルeおよび電極体cに作用することとなる。ここで、エキスパンドメタルeのうち、拡散層基材b1と当接する側面においては、図示するように多数のエッジが拡散層基材側に突出しており、上記する圧縮力Pは、これらのエッジを介して集中的に拡散層基材b1を押圧している(集中荷重P1)。ここで、アノード側とカソード側のエキスパンドメタルe,eのうち、対応するエッジから作用する集中荷重P1,P1は、図示のごとくオフセットされる場合があり(離間:t)、このオフセットされた集中荷重により、膜電極接合体にはせん断力が作用することとなり、これに起因して、エキスパンドメタルのエッジがガス拡散層等に突き刺さってしまう、もしくはエッジの突き刺さりが助長されてしまうといった課題が生じている。 When a predetermined number of illustrated fuel cells are stacked and stacked, a compression force P (fastening force) at the time of stacking acts on the expanded metal e and the electrode body c via the separator f. It becomes. Here, in the expanded metal e, on the side surface that comes into contact with the diffusion layer base material b1, a large number of edges protrude toward the diffusion layer base material side as shown in the figure, and the compressive force P described above applies these edges. The diffusion layer base material b1 is intensively pressed through (concentrated load P1). Here, among the expanded metals e and e on the anode side and the cathode side, the concentrated loads P1 and P1 acting from the corresponding edges may be offset as shown in the figure (separation: t). Due to the load, a shearing force acts on the membrane electrode assembly, which causes a problem that the edge of the expanded metal pierces the gas diffusion layer or the like, or the piercing of the edge is promoted. ing.
上記する課題を解消するべく、スタッキング時の圧縮力を低減させてエッジの突き刺さりを防止しようとすると、今度は圧縮力(締結力)不足によって燃料電池セルの構成部材間の界面における接触抵抗が増加してしまい、これは燃料電池の発電性能低下に直結することから適切な対処アプローチとは言えない。 In order to eliminate the above-mentioned problems, if the compression force at the time of stacking is reduced to prevent edge sticking, the contact resistance at the interface between the components of the fuel cell increases due to insufficient compression force (fastening force). Therefore, this is not an appropriate coping approach because it directly affects the power generation performance of the fuel cell.
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、スタッキング時の所与の圧縮力を維持しながら、ガス流路層を形成するエキスパンドメタルの端部から集中的に圧縮力が作用した場合でも、ガス拡散層の拡散層基材や、拡散層基材がない場合は集電層に対して該エキスパンドメタルの端部が突き刺さること、さらには、該端部の突き刺さりによって膜電極接合体を損傷させたり、ガスのクロスリーク路を形成するといった問題を効果的に抑止することのできる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a compressive force acts intensively from the end of the expanded metal forming the gas flow path layer while maintaining a given compressive force during stacking. Even when the diffusion layer base material of the gas diffusion layer or the diffusion layer base material is not present, the end of the expanded metal pierces the current collecting layer, and further, the membrane electrode assembly is pierced by the piercing of the end portion. It is an object of the present invention to provide a fuel cell capable of effectively suppressing problems such as damage to the gas and formation of a gas cross leak path.
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体と、これを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成するエキスパンドメタルからなる金属多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、アノード側とカソード側のエキスパンドメタルにおいて、ガス拡散層と接触するそれぞれの端部面積が異なっており、双方のエキスパンドメタルがガス拡散層と接触した姿勢において、前記端部面積の相対的に小さなエキスパンドメタルの該端部と、前記端部面積の相対的に大きなエキスパンドメタルの該端部の一部が、燃料電池セルの積層方向で一致しているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention is an expander in which an electrode body is formed from a membrane electrode assembly and an anode-side and cathode-side gas diffusion layer sandwiching the membrane-electrode assembly to form a gas flow path layer. In a fuel cell in which a porous metal body made of metal and a separator sandwich the electrode body to form a fuel cell, and the fuel cell is laminated, gas diffusion is performed in the expanded metal on the anode side and the cathode side. The end areas of the expanded metal that are in contact with the layers are different, and in the posture in which both expanded metals are in contact with the gas diffusion layer, the end portions of the expanded metal having a relatively small end area and the end area A part of the end portion of the relatively large expanded metal coincides in the stacking direction of the fuel cells.
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、アノード側とカソード側双方のエキスパンドメタルがガス拡散層と接触する端部の面積を相互に相違させ、相対的に端部面積の大きなエキスパンドメタルの端部の一部と他方のエキスパンドメタルの端部とをセル積層方向で一致させることにより、既述する従来技術のように、双方の端部(のエッジ)がセットオフされていることで生じ得るせん断力の発生を抑止し、もってエキスパンドメタルの端部がガス拡散層に突き刺さることを効果的に防止することのできる燃料電池である。 The fuel cell constituting the fuel cell according to the present invention has expanded metal on the anode side and the cathode side that are different from each other in the area of the end portion where the expanded metal contacts the gas diffusion layer. This occurs when both ends (the edges) are set off as in the prior art described above by matching a part of the end with the end of the other expanded metal in the cell stacking direction. Thus, the fuel cell can effectively prevent the end of the expanded metal from sticking into the gas diffusion layer by suppressing the generation of the shearing force to be obtained.
ここで、エキスパンドメタルからなる金属多孔体は、これがメタル板を連続的に押出しながら断続的にせん断加工され、せん断後のメタル板(メタルメッシュ)を引き伸ばした際に、台形、菱形等の気孔を有する多孔体が形成されることになる。それを縦断面的に見ると、この気孔を画成するメタルメッシュは傾斜したメタルビーム(該メタルビームの端部が上記するエッジとなる)が間欠的に並んだ態様を呈している。この加工に際して、たとえば、アノード側とカソード側の双方のエキスパンドメタルを同程度の厚みのメタル板から加工し、ガス拡散層と接触する端部の面積を相対的に広くしたいエキスパンドメタルにおいては、該端部を折り曲げ加工したり、加熱溶融して面積を広げる等の処理をおこなうことでその接触面積を広くすることができる。また、別の方法として、ガス拡散層と接触する端部の面積を相対的に広くしたいエキスパンドメタルを、他方のエキスパンドメタルに比して相対的に厚い肉厚のメタル板から加工してもよい。なお、この方法においても、せん断加工後の上記端部をさらに折り曲げ加工したり、加熱溶融してもよい。 Here, the porous metal body made of expanded metal is intermittently sheared while continuously extruding the metal plate, and when the metal plate (metal mesh) after shearing is stretched, pores such as trapezoids and rhombuses are formed. The porous body which has is formed. When viewed in a longitudinal section, the metal mesh that defines the pores has an aspect in which inclined metal beams (the ends of the metal beams become the above-mentioned edges) are arranged intermittently. In this processing, for example, in the expanded metal in which both the anode side and the cathode side expanded metal are processed from a metal plate having the same thickness and the end contact area with the gas diffusion layer is relatively wide, The contact area can be increased by performing a process such as bending the end part or expanding the area by heating and melting. As another method, an expanded metal whose end area in contact with the gas diffusion layer is desired to be relatively wide may be processed from a thick metal plate that is relatively thicker than the other expanded metal. . In this method, the end portion after the shearing process may be further bent or heated and melted.
また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、膜電極接合体と、これを挟持するアノード側およびカソード側のいずれか一方に配された、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層と、他方に配された集電層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成するエキスパンドメタルからなる金属多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、アノード側とカソード側のエキスパンドメタルにおいて、ガス拡散層または集電層と接触するそれぞれの端部面積が異なっており、双方のエキスパンドメタルがガス拡散層または集電層と接触した姿勢において、前記端部面積の相対的に小さなエキスパンドメタルの該端部と、前記端部面積の相対的に大きなエキスパンドメタルの該端部の一部が、燃料電池セルの積層方向で一致しているものである。 Further, another embodiment of the fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode assembly and a current collecting layer and a diffusion layer base material disposed on either the anode side or the cathode side sandwiching the membrane electrode assembly. An electrode body is formed from a gas diffusion layer and a current collecting layer disposed on the other side, and a porous metal body made of expanded metal forming a gas flow path layer and a separator sandwich the electrode body to form a fuel cell. In the fuel cell formed by stacking the fuel battery cells, the expanded metal on the anode side and the cathode side have different end areas in contact with the gas diffusion layer or the current collecting layer, When the expanded metal is in contact with the gas diffusion layer or the current collecting layer, the end of the expanded metal having a relatively small end area and the expanded having a relatively large end area Some of the end portion of the barrel is intended to match in the laminating direction of the fuel cell.
本実施の形態の燃料電池を構成する燃料電池セルは、アノード側とカソード側のいずれか一方のガス拡散層が拡散層基材を具備しない、すなわち、一方は拡散層基材および集電部からなるガス拡散層を有し、他方は集電層のみを有する燃料電池セルである。 In the fuel cell constituting the fuel cell of the present embodiment, the gas diffusion layer on either the anode side or the cathode side does not include the diffusion layer base material, that is, one from the diffusion layer base material and the current collector. The fuel cell having the gas diffusion layer and the other having only the current collecting layer.
本実施の形態は、燃料電池セルの構成部材内において弾性変形が可能な拡散層基材が両電極のいずれか一方のみにしか存在しない場合であっても、その弾性変形によって作用圧縮力を膜電極接合体の一方面に均一に付与できればよいという思想の下で、他方の拡散層基材を廃したものである。たとえば、プロトンと酸素との化学反応がおこなわれるカソード側において、膜電極接合体へ作用する圧縮力を可及的に面内均一にしたいという設計思想に則れば、カソード側には拡散層基材を有するガス拡散層を設け、アノード側に集電層のみを設けた構成とするのがよい。 In the present embodiment, even when a diffusion layer base material that can be elastically deformed in only one of the two electrodes exists in the constituent members of the fuel cell, the compressive force is applied to the membrane by the elastic deformation. The other diffusion layer base material is abolished under the idea that it can be uniformly applied to one surface of the electrode assembly. For example, on the cathode side where a chemical reaction between protons and oxygen occurs, the diffusion layer base is formed on the cathode side in accordance with the design philosophy of making the compressive force acting on the membrane electrode assembly as uniform as possible in the plane. A gas diffusion layer having a material is preferably provided, and only a current collecting layer is provided on the anode side.
ここで、拡散層基材を具備しない電極側の集電層は、たとえば、シート状(もしくはフィルム状)として製造することにより、その加工性(ハンドリング性)を担保できる。製造されたフィルム状の集電層を触媒層表面にホットプレス等することで膜電極接合体の一方面に集電層を設けることができる。なお、この集電層は、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素(カーボン)材料などと、フッ素樹脂等の撥水性ポリマーとから形成することができる。 Here, the current-collecting layer on the electrode side that does not include the diffusion layer base material can ensure its workability (handling property), for example, by manufacturing it as a sheet (or film). A current collecting layer can be provided on one surface of the membrane electrode assembly by hot-pressing the produced film-like current collecting layer on the surface of the catalyst layer. This current collecting layer is composed of conductive materials such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, silver, copper and their compounds or alloys, conductive carbon (carbon) materials, and fluororesins. It can be formed from a water repellent polymer.
さらに、本発明による燃料電池の好ましい実施の形態は、アノード側のエキスパンドメタルの前記端部面積が相対的に大きくなっているものである。 Further, in a preferred embodiment of the fuel cell according to the present invention, the end area of the expanded metal on the anode side is relatively large.
上記するようにガス拡散層もしくは集電層に接触する端部面積が広いエキスパンドメタルを有する電極においては、エキスパンドメタルをその層方向に流れてきたガスが、面積の相対的に広い端部を回り込むようにして膜電極接合体に提供されることとなるため、膜電極接合体へのガスの提供効率がおのずと低下し易い。また、水素に比して酸素は相対的に分子が大きいことから相対的に流れ難いこと、カソード側には生成水が滞留し易いこと、などを総合勘案すると、アノード側のエキスパンドメタルの端部面積を相対的に大きくすることで、膜電極接合体への酸素の提供効率を低下させることなく、したがって、発電性能を低下させることなく、上記するせん断力の発生を防止し、もってクロスリーク耐久性の高い燃料電池を得ることができる。 As described above, in an electrode having an expanded metal with a wide end area in contact with the gas diffusion layer or the current collecting layer, the gas flowing in the layer direction of the expanded metal wraps around the end with a relatively large area. Thus, since it is provided to the membrane / electrode assembly, the gas supply efficiency to the membrane / electrode assembly is likely to decrease naturally. In addition, considering the fact that oxygen is relatively difficult to flow because of its relatively large molecules compared to hydrogen and that the generated water tends to stay on the cathode side, the end of the expanded metal on the anode side By making the area relatively large, the generation of the above-mentioned shear force is prevented without lowering the efficiency of oxygen supply to the membrane electrode assembly, and hence without reducing the power generation performance, and thus the cross leak durability. A high-performance fuel cell can be obtained.
上記する本発明の燃料電池によれば、エキスパンドメタルの構造の一部を改良しただけの簡易な構造変更により、スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら(スタッキング時の圧縮力を低減することなく)、少なくとも電極体(拡散層基材や集電層)の発電領域にエキスパンドメタルの端部が突き刺さること、さらには、該端部の突き刺さりによって膜電極接合体を損傷させたり、ガスのクロスリーク路を形成するといった問題を効果的に解消することが可能となる。 According to the fuel cell of the present invention described above, the compression force at the time of stacking is maintained at a desired value (reducing the compression force at the time of stacking) by a simple structural change by simply improving a part of the expanded metal structure. The end of the expanded metal is pierced into at least the power generation region of the electrode body (diffusion layer substrate or current collecting layer), and the membrane electrode assembly is damaged by the piercing of the end, It is possible to effectively solve the problem of forming a cross leak path.
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら、拡散層基材や集電層にエキスパンドメタルの端部が突き刺さるのを効果的に抑止することができ、もってクロスリーク耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, the end of the expanded metal is stuck into the diffusion layer base material or the current collecting layer while maintaining the compression force at the time of stacking at a desired value. A fuel cell that can be effectively suppressed and has excellent cross leak durability can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、アノード側のエキスパンドメタルの端部が曲げ加工等されているものであるが、この形態以外にも、カソード側のエキスパンドメタルの端部が曲げ加工等されているものであってもよい。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the illustrated example, the end of the expanded metal on the anode side is bent or the like, but the end of the expanded metal on the cathode side is bent or the like in addition to this form. May be.
図1は、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の縦断面図である。図1に示す燃料電池セル100の構造は、イオン交換膜である電解質膜1とカソード側およびアノード側の触媒層2,2とから膜電極接合体3が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層4、4が挟持して電極体10が形成され、この電極体10をカソード側およびアノード側のガス流路層5,5が挟持し、さらにこのガス流路層5,5を3層構造のセパレータ7,7が挟持しており、電極体10の周縁には樹脂製のガスケット8が一体に形成されて構成される。さらに、触媒層2は電解質膜1に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜1の両側の触媒層2,2の周縁には該触媒層2,2が存在しない露出領域が形成されており、この露出領域には、カソード側およびアノード側の保護フィルム6,6が配されており、ガス拡散層4,4から突出する毛羽が電解質膜1に突き刺さるのを防護している。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of a fuel cell constituting the fuel cell of the present invention. The structure of the
ここで、膜電極接合体3を構成する電解質膜1は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。また、触媒層2は、触媒が担持された導電性担体(粒子状のカーボン担体など)と、電解質と、分散溶媒(有機溶媒)と、を混合して触媒溶液(触媒インク)を生成し、これを電解質膜1やガス拡散層4等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(Flemion)(登録商標、旭硝子株式会社製)などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒(金属触媒)としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
Here, the
また、ガス流路層5を流れた酸化剤ガスや燃料ガスを膜電極接合体3に拡散提供するガス拡散層4は、拡散層基材41と集電層42(MPL)とからなるものであり、拡散層基材41としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材41の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材41としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層42はアノード側、カソード側の触媒層2,2から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。
The
また、保護フィルム6は、ポリテトラフルオロエチレン、PVDF(二フッ化ポリビニル)、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。
The
また、電極体の周縁であってセパレータ7と電極体10で画成された領域に設けられたガスケット8は、たとえば成形型内に電極体を収容し、その周縁に樹脂を射出成形することで成形される。ここで、ガスケット8は、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンRTVゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などの樹脂素材にて成形される。
In addition, the
さらに、セパレータ7は、隣接する燃料電池セルとの間でセル間を画成するカソード側プレート71と、アノード側プレート73と、これらのプレート71,73間に介層され、プレート71,73の外周輪郭に沿う枠状(無端状)に形成されたスペーサ72と、から構成されている。このプレート71,73は、導電性金属であるステンレスやチタンなどから形成されており、スペーサ72は、同様の導電性金属もしくは樹脂から形成されている。一つの実施形態としては、プレート71におけるプレート73に対向する側面に多数のディンプルが備えてあり、このディンプルがスペーサ72の厚み分の高さを有していることにより、3層構造となった際に、ディンプルの先端がプレート73の側面と当接されて冷媒流路を形成する形態がある。また、他の形態としては、スペーサ72に直線状もしくは蛇行状の冷媒流路が形成された形態もある。この3層構造セパレータでは、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒のそれぞれがセパレータ内に流入し、さらに流出する固有のマニホールドMが形成されており、ガスケット8に同軸に形成されたマニホールドMと流体連通している。なお、ガスケット8のうち、マニホールドMの周縁には無端リブ81が形成されており、これをセパレータ7が押圧することで流体シール構造が形成される。
Further, the
図1で示すガス流路層5は、エキスパンドメタルから形成される。これは、メタル製の板材を回転ロール上で連続的に押出しながら、断続的に順次せん断加工をおこない、次いで、せん断後のメタル板(メタルメッシュ)を引き伸ばすことにより、台形や菱形等の気孔を有する、カソード側のエキスパンドメタル5およびアノード側のエキスパンドメタル5Aを形成するものである。たとえば、カソード側のエキスパンドメタル5を縦断面的に見ると、この気孔を画成するメタルメッシュは、図示のごとく傾斜したメタルビーム51,…(該メタルビーム51の端部51a(のさらにエッジ)が拡散層基材41と接触している)が間欠的に並んだ態様を呈している(図示を省略するが、図に直交する方向から見ると、メタルビームにて台形や菱形形状に画成された多数の気孔を視認できる)。
The gas
一方、アノード側のエキスパンドメタル5Aを構成するメタルビーム51Aは、その拡散層基材41と接触する端部51Aaがその接触面積を広げるようにして曲げ加工等されている。アノード側のエキスパンドメタル5Aの端部51Aaの拡散層基材41との接触面積が相対的に広いことで、この端部51Aaの一部と、これに対向するカソード側のエキスパンドメタル5のメタルビーム51の端部51aとは、図示のごとく、燃料電池セル100の積層方向(図では鉛直方向)にラインLで一致することができる。このことにより、スタッキング時の圧縮力が燃料電池セル100に作用し、端部51Aaや端部51aを介して集中荷重が拡散層基材41に作用する場合でも、端部51Aaと端部51aがずれていないことから、双方の間でせん断力が生じることがない。したがって、該せん断力によって拡散層基材41をはじめとする電極体10の構成部材に亀裂が生じること、もしくは亀裂発生が助長されることを効果的に抑止できる。
On the other hand, the
実際の燃料電池スタックは、図示する燃料電池セル100が所要電力に応じた基数だけ積層されて(たとえば200〜400基)セル積層体を形成し、この両側にエンドプレートが配され、さらに、テンションプレートやインシュレータ等が積層され、所与の圧縮力にてスタッキングされることによって形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
In an actual fuel cell stack, the illustrated
また、図2は燃料電池セルの他の実施の形態を示した縦断面図である。
この燃料電池セル100Aと燃料電池セル100の異なる構成は、アノード側のエキスパンドメタル5Bがカソード側のエキスパンドメタル5よりも厚みのあるメタル材から加工されており、したがって、エキスパンドメタル5Bをせん断加工した段階で、そのメタルビーム51Bの端部51Baの幅が相対的に大きくなっている点である。なお、端部51Baをさらに曲げ加工等してもよいことは言うまでもない。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the fuel cell.
The
燃料電池セル100Aにおいても、アノード側およびカソード側双方のエキスパンドメタル5,5Bで、対向するメタルビーム51,51Bの端部51aと51Baの一部がセル積層方向に沿うラインLで一致しており、したがって、燃料電池セル100と同様に、双方の間でせん断力が生じない。
Also in the
さらに、図3は、燃料電池セルのさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。
この燃料電池セル100Bは、燃料電池セル100Aと同様に厚みの異なるエキスパンドメタル5,5Bを有するものであるが、アノード側の拡散層基材が廃された構造を呈する燃料電池セルである。この燃料電池セル100Bによれば、上記するせん断力の発生を回避できるという効果に加えて、燃料電池セル全体の厚み(高さ)を少なくでき、もって、これが積層されてなる燃料電池スタックの体格低減を図ることもできる。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing still another embodiment of the fuel cell.
This
上記する燃料電池セル100,100A,100Bによれば、アノード側のエキスパンドメタルのガス拡散層もしくは集電層に接触する端部の面積を曲げ加工等によって広くするだけの極めて簡易な構造変更により、スタッキング時に作用する圧縮力によってエキスパンドメタルの端部が拡散層基材等に突き刺さり、燃料電池スタックのクロスリーク耐久性を低下させるという課題を効果的に解消することができる。
According to the
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
1…電解質膜、2…触媒層、3…膜電極接合体、4…ガス拡散層、41…拡散層基材、42…集電層(MPL)、5…ガス流路層(金属多孔体、エキスパンドメタル)、51,51A,51B…メタルビーム、51a,51Aa,51Ba…端部、6…保護フィルム、7…セパレータ、71…カソード側プレート、72…中間プレート、73…アノード側プレート、8…ガスケット、81…無端リブ、10…電極体、100,100A,100B…燃料電池セル、M…マニホールド
DESCRIPTION OF
Claims (3)
アノード側とカソード側のエキスパンドメタルにおいて、ガス拡散層と接触するそれぞれの端部面積が異なっており、双方のエキスパンドメタルがガス拡散層と接触した姿勢において、前記端部面積の相対的に小さなエキスパンドメタルの該端部と、前記端部面積の相対的に大きなエキスパンドメタルの該端部の一部が、燃料電池セルの積層方向で一致している、燃料電池。 An electrode body is formed from a membrane electrode assembly and anode-side and cathode-side gas diffusion layers sandwiching the membrane-electrode assembly, and a porous metal body made of expanded metal and a separator sandwiching the electrode body sandwiching the electrode body A fuel cell, and a fuel cell formed by stacking the fuel cells,
In the expanded metal on the anode side and the cathode side, the respective end areas in contact with the gas diffusion layer are different. The fuel cell, wherein the end of the metal and a part of the end of the expanded metal having a relatively large end area coincide with each other in the stacking direction of the fuel cells.
アノード側とカソード側のエキスパンドメタルにおいて、ガス拡散層または集電層と接触するそれぞれの端部面積が異なっており、双方のエキスパンドメタルがガス拡散層または集電層と接触した姿勢において、前記端部面積の相対的に小さなエキスパンドメタルの該端部と、前記端部面積の相対的に大きなエキスパンドメタルの該端部の一部が、燃料電池セルの積層方向で一致している、燃料電池。 A membrane electrode assembly, a gas diffusion layer composed of a current collection layer and a diffusion layer base material disposed on either the anode side or the cathode side sandwiching the membrane electrode assembly, and a current collection layer disposed on the other side, A fuel cell is formed by forming a fuel cell by sandwiching the electrode body with a porous metal body made of expanded metal forming a gas flow path layer and a separator, and forming a fuel cell. In batteries,
In the expanded metal on the anode side and the cathode side, the respective end areas in contact with the gas diffusion layer or the current collection layer are different, and in the posture in which both expanded metals are in contact with the gas diffusion layer or the current collection layer, the end The fuel cell, wherein the end portion of the expanded metal having a relatively small area and the part of the end portion of the expanded metal having a relatively large end area coincide with each other in the stacking direction of the fuel cells.
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