JP2010282940A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2010282940A
JP2010282940A JP2009137548A JP2009137548A JP2010282940A JP 2010282940 A JP2010282940 A JP 2010282940A JP 2009137548 A JP2009137548 A JP 2009137548A JP 2009137548 A JP2009137548 A JP 2009137548A JP 2010282940 A JP2010282940 A JP 2010282940A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
gasket
separator
layer
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2009137548A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Sato
研二 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2009137548A priority Critical patent/JP2010282940A/en
Publication of JP2010282940A publication Critical patent/JP2010282940A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of effectively preventing different kinds of materials from adhering or the like to an electrolyte film in a cell of fuel cell, superior in efficiency in maintenance such as extracting and changing cells of the fuel cell with performance degraded in a fuel cell stack, and superior in fluid sealing properties. <P>SOLUTION: A plurality of cells 10 of fuel cell each composed of a membrane electrode assembly (electrode 4), gas-permeating layers 5, 6, and a separator 7 arranged at an either gas-permeating layer side, are laminated, and a gasket 8 is integrally formed at a peripheral edge of each laminated membrane electrode assembly or the like to have one module 100 composed of the plurality of cells 10 of fuel cell. The modules are laminated to form a fuel cell stack, or just one module 100 is to form the fuel cell stack for the fuel cell. On a surface of the separator 7 contacting the gasket 8, an adhesion area S adhering to the gasket 8 and a non-adhesion area HS not adhering to the gasket 8 are formed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の燃料電池セルにガスケットが一体成形されて一つのモジュールを成し、このモジュールが複数積層されて、もしくは一つの該モジュールから燃料電池スタックを形成している燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell in which a gasket is integrally formed with a plurality of fuel cells to form one module, and a plurality of the modules are stacked or a fuel cell stack is formed from the one module. is there.

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とから膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が形成され、たとえば、このMEA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(GDL)とから電極体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)が形成され、電極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金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。   A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) formed from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer sandwiching the electrolyte membrane. For example, an electrode body (MEGA: MEMBRANE ELECTRODE & GAS DIFFUSION LAYER ASSEMBLY) is formed from the MEA and the anode-side and cathode-side gas diffusion layers (GDL) sandwiching the MEA, and a fuel gas or an oxidant gas is formed in the electrode body. And a gas flow path layer made of a metal porous body for collecting electricity generated by an electrochemical reaction and a separator are arranged on both sides of the electrode body. In addition, the fuel cell in which the gas flow channel groove is formed in the separator is also a conventional one, and in this case, the metal porous body that becomes the gas flow channel layer is unnecessary. An actual fuel cell stack is formed by stacking and stacking a number of fuel cell cells according to required power.

上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体の周縁に形成されている。このガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、電極体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。なお、このガスケット成形は一般に、射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえば圧縮成形の場合を取り上げると、成形型のキャビティ内にセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体もしくは膜電極接合体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、成形型内に比較的硬質な樹脂を注入し、成形型内を高温雰囲気としながら圧縮することにより、電極体の周縁に樹脂製のガスケットが成形される。   In the fuel cell having the above structure, the electrode body includes a gasket for sealing a fluid such as a fuel gas and an oxidant gas supplied to the membrane electrode assembly, and a cooling water for suppressing the temperature rise of the cell. It is formed at the periphery. This gasket is formed for each fuel cell, and stacking is performed after stacking a predetermined number of fuel cells each having a gasket on the periphery of the electrode body. This gasket molding is generally performed by injection molding or compression molding. For example, in the case of compression molding, a separator is accommodated in a cavity of a molding die, and then either a metal porous body on the anode side or cathode side serving as a gas flow path is accommodated, and then an electrode body or a membrane electrode assembly is mounted. Next, in a posture in which the other metal porous body on the anode side or the cathode side is accommodated, a relatively hard resin is injected into the mold, and the mold is compressed while maintaining a high-temperature atmosphere. A resin gasket is formed on the periphery.

上記するセパレータは、たとえばチタンやステンレスからなる2枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された3層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、2枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路(このような構造のセパレータも、同様に3層構造のセパレータに含まれる)を形成するものなどがある。このような構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この3層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの3層構造セパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体(ガス流路層)と、膜電極接合体もしくは電極体と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。   The separator described above has a three-layer structure in which a plate in which a flow path is formed between two plates made of titanium or stainless steel, for example, or an intermediate layer made of a resin frame material. There is a type in which a large number of dimples and ribs defining a flow path are projected from one side of a plate to form a cooling water flow path (a separator having such a structure is also included in a three-layered separator). The separator having such a structure is either the anode side or the cathode side separator of the cell itself, and at the same time the other separator on the anode side or the cathode side of the adjacent cell in the stacked posture. That is, the cell constituent member of the fuel cell having this three-layer structure separator includes one three-layer structure separator, a metal porous body (gas channel layer) on the anode side and the cathode side, and a membrane electrode assembly or electrode body. In a posture in which a plurality of fuel cells are stacked, an arbitrary fuel cell has anode-side and cathode-side separators at both ends thereof.

従来の燃料電池スタックは、上記のごとく、ガスケットが成形された燃料電池セルを積層してスタッキングされるものである。たとえば200〜400基程度の燃料電池セルが積層されて燃料電池スタックが形成されるものにおいて、各燃料電池セルには固有の電圧センサが設けてあり、セル電圧が所定値以下に落ち込んだ燃料電池セルが特定されると、その燃料電池セルがスタック内から抜き取られて別途の燃料電池セルと交換されるようになっている。   As described above, the conventional fuel cell stack is stacked by stacking fuel cells in which gaskets are formed. For example, in the case where a fuel cell stack is formed by stacking about 200 to 400 fuel cells, each fuel cell is provided with a unique voltage sensor, and the cell voltage drops below a predetermined value. When the cell is specified, the fuel cell is extracted from the stack and replaced with another fuel cell.

しかし、多数の燃料電池セルがスタッキングされてなる燃料電池スタックからそのスタッキングを解除し、要交換の燃料電池セルのみを抜き取って別途のセルと交換する作業が極めて煩雑であることは理解に易く、当該分野ではその改善が叫ばれている。   However, it is easy to understand that the task of releasing stacking from a fuel cell stack in which a large number of fuel cells are stacked, extracting only the fuel cells that need replacement and replacing them with separate cells is extremely complicated, Improvements are screamed in the field.

ところで、膜電極接合体を構成する電解質膜は、気孔を有するガス拡散層や金属多孔体などのガス透過層を介して外部に流体連通した状態となっている。この電解質膜は、異種材料のコンタミネーションによってその特性を大きく劣化させるものである。したがって、すべての燃料電池セルがそれぞれ単独で射出成形され、次いでそれらを単に積層させている現状においては、この積層の際にすべての燃料電池セルの電解質膜が異種材料によってコンタミネートされる危険性を有している。   By the way, the electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly is in fluid communication with the outside through a gas permeable layer such as a gas diffusion layer having a pore or a metal porous body. This electrolyte membrane greatly deteriorates its characteristics due to contamination of different materials. Therefore, in the present situation where all the fuel cells are injection-molded independently and then simply laminated, there is a risk that the electrolyte membranes of all the fuel cells are contaminated by different materials during this lamination. have.

このような観点からも、燃料電池セルごとに射出成形等にてガスケットを形成し、これを積層させて燃料電池スタックを形成するという製造方法の見直しや改善、この製造方法によってできる燃料電池スタックの構造の改良は必至であり、そのための開発が急務の課題である。特に、家屋等の定置型として、あるいはハイブリッド車や電気自動車等の移動型として、燃料電池の普及が拡大の一途を辿っている昨今、その性能向上と生産性向上の双方を満足させる必要があることに鑑みれば、上記する急務の課題を効果的に解決できる燃料電池の開発は極めて重要である。   From this point of view as well, review and improvement of the manufacturing method of forming a fuel cell stack by forming a gasket by injection molding or the like for each fuel cell, and a fuel cell stack made by this manufacturing method Improvement of the structure is inevitable, and development for that is an urgent issue. In particular, as the stationary type of houses, etc., or the mobile type of hybrid vehicles, electric vehicles, etc., the spread of fuel cells has been steadily expanding, and it is necessary to satisfy both performance improvement and productivity improvement. In view of this, it is extremely important to develop a fuel cell that can effectively solve the aforementioned urgent problems.

そこで、本出願人は鋭意研究を重ねた結果、次のような構造の燃料電池の発案に至り、別途の特許出願をおこなっている。この燃料電池は、電極体(MEGA)と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの電極体および多孔体の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つのモジュールが形成され、複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されてなるものである。   Therefore, as a result of earnest research, the present applicant has come up with a fuel cell having the following structure and has filed a separate patent application. This fuel cell is composed of an electrode body (MEGA), an anode-side and cathode-side porous body serving as a gas flow path for sandwiching the electrode body, and a separator on either the anode-side or cathode-side. A plurality of cells are stacked, and a gasket formed integrally with the periphery of each stacked electrode body and porous body is formed to form one module including a plurality of fuel battery cells, and the plurality of the modules are stacked. A fuel cell stack is formed.

この燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層され、それぞれの燃料電池セルが一体成形されたガスケットで繋がれることで1つのモジュールを形成し(ガスケットが当該ガスケットを構成要素とするセルのセパレータと密着するとともに、積層姿勢で隣接する他のセルを構成するセパレータと密着する)、複数のモジュールを積層してスタッキングすることで形成されることから、「多セル1モジュール型の燃料電池」と称することもできる。この燃料電池によれば、たとえばガスケットの射出成形に先行して複数の燃料電池セルが積層されていることから、燃料電池スタックを構成するほとんどの燃料電池セルの電解質膜は、このような製造過程において異種材料とコンタミネートされることから効果的に防護される。さらには、性能不良となった燃料電池セルを、該セルを含むモジュール単位で抜き取ることにより、メンテナンス効率を格段に向上させることができるものである。   In this fuel cell, a plurality of fuel cells are stacked, and each fuel cell is connected by an integrally molded gasket to form one module (the gasket is a cell separator having the gasket as a constituent element) It is formed by stacking a plurality of modules and stacking them, so that it is referred to as a “multi-cell one-module fuel cell”. You can also According to this fuel cell, for example, since a plurality of fuel cells are laminated prior to gasket injection molding, the electrolyte membrane of most fuel cells constituting the fuel cell stack is manufactured in such a manufacturing process. Is effectively protected from contamination with dissimilar materials. Furthermore, the maintenance efficiency can be remarkably improved by extracting the fuel cell having a poor performance in units of modules including the cell.

しかし、このように複数の燃料電池セルをガスケットにて一体化してモジュールを形成したことから、以下のような新たな課題が想定される。図5を参照してその課題を説明する。図示例の燃料電池は、2つの燃料電池セルCE,CEとその上端のセパレータeとがガスケットfにて一体とされてモジュールMDを形成し、このモジュールMDが複数積層されて燃料電池スタックを構成するものである。なお、図示例は、そのうちの2つのモジュールMDを取り出し、スタッキング前の状態を示しており、さらには、燃料ガスが流通するマニホールドMを通る断面で切断したものである。   However, since a module is formed by integrating a plurality of fuel cells with a gasket as described above, the following new problem is assumed. The problem will be described with reference to FIG. In the illustrated fuel cell, two fuel cells CE, CE and a separator e at the upper end thereof are integrated by a gasket f to form a module MD, and a plurality of modules MD are stacked to form a fuel cell stack. To do. In the illustrated example, two of the modules MD are taken out, showing a state before stacking, and further cut by a cross section passing through the manifold M through which the fuel gas flows.

燃料電池セルCEは、膜電極接合体aと、これを挟持するカソード側およびアノード側のガス拡散層b1、b2と、から電極体cが形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路となる金属多孔体d1、d2が挟持し、アノード側の金属多孔体には3層構造のセパレータeが配されて一つの燃料電池セルCEが構成されている。ここで、この3層構造のセパレータeは、プレートe1,e2とその間に介在する中間層e3とから形成され、該中間層e3にてガスや冷却流体(冷却水や冷却エア、冷却エチレングリコールなど)用の流路が形成されている。   In the fuel cell CE, an electrode body c is formed from a membrane electrode assembly a and cathode and anode gas diffusion layers b1 and b2 sandwiching the membrane electrode assembly a. Metal porous bodies d1 and d2 to be sandwiched are sandwiched, and a separator e having a three-layer structure is arranged on the metal porous body on the anode side to constitute one fuel cell CE. Here, the separator e having the three-layer structure is formed by plates e1 and e2 and an intermediate layer e3 interposed therebetween, and gas or cooling fluid (cooling water, cooling air, cooling ethylene glycol, etc.) is formed in the intermediate layer e3. ) Is formed.

複数の燃料電池セルCE,…をガスケットfにて一体に繋いで一つのモジュールMDを形成した際には、スタッキング前の状態において、厚めに設計されたガス拡散層がモジュールMDを構成するセル数だけ積層され、その一方でモジュールMDの端部はガスケットで固定されていることから、モジュールMDの中央領域が外側に膨らんだ(X方向)、いわゆる太鼓状を呈し易い。これは、ガスケットを射出成形する際の圧力がスタッキング時の圧縮力に比して高い場合に特に顕著である。   When a plurality of fuel cells CE,... Are integrally connected by a gasket f to form one module MD, the number of cells in which the thickly designed gas diffusion layer constitutes the module MD before stacking. On the other hand, since the end portion of the module MD is fixed with a gasket, the central region of the module MD bulges outward (X direction), and a so-called drum shape is likely to be formed. This is particularly noticeable when the pressure during injection molding of the gasket is higher than the compression force during stacking.

多セル1モジュール型の燃料電池においては、上記するセルの太鼓状の変形は許容せざるを得ないものの、図示のごとく太鼓状を呈してしまうと、セパレータとガスケットの接着界面において剥離が生じ、場合によってはこの剥離がガスケットの亀裂に進展し、モジュールMD端部のシール性が担保されなくなってしまうという問題が生じ得る。また、図示例のごとく、各モジュールMD,MDが過度に太鼓状に変形することで、モジュールMD,MD間の接合界面端部(図中の領域A)におけるシール性が担保され難くなってしまうという問題が生じ得る。   In a multi-cell, one-module type fuel cell, the above-described drum-shaped deformation of the cell must be allowed, but if a drum-shaped deformation is exhibited as shown, peeling occurs at the adhesive interface between the separator and the gasket, In some cases, this peeling progresses to a crack in the gasket, which may cause a problem that the sealing performance at the end of the module MD is not secured. Moreover, as shown in the illustrated example, the modules MD and MD are excessively deformed in a drum shape, so that it is difficult to ensure the sealing performance at the joint interface end portion (region A in the drawing) between the modules MD and MD. The problem can arise.

なお、図示を省略するが、ガスケットを射出成形する際の圧力がスタッキング時の圧縮力に比して過度に低い場合は、図示例とは逆にスタッキング時の圧縮力によってモジュールの中央が端部のガスケット領域に比して押し込まれてしまい、この場合には電極体の中央がへこんだ状態となってスタッキング時の圧縮力が電極体の全面に十分に作用されないといった問題も生じ得る。   Although illustration is omitted, if the pressure at the time of injection molding of the gasket is excessively low compared to the compression force at the time of stacking, the center of the module is at the end by the compression force at the time of stacking, contrary to the illustrated example. In this case, there is a problem that the center of the electrode body is dented and the compression force during stacking is not sufficiently applied to the entire surface of the electrode body.

ここで、本出願人による公開技術に目を転じると、上記する多セル1モジュールの燃料電池に関し、ガスケットをセパレータに接着するなどして形成した燃料電池が特許文献1に開示されている。この燃料電池もメンテナンス性に優れたものであるが、上記する課題、すなわち、セパレータとガスケットの接着界面において剥離が生じ、場合によってはこの剥離がガスケットの亀裂に進展し、モジュール端部のシール性が担保されなくなるという課題を効果的に解消するまでには至らない。   Turning now to the published technology by the present applicant, Patent Document 1 discloses a fuel cell formed by adhering a gasket to a separator, etc., with respect to the fuel cell of the multi-cell 1 module described above. Although this fuel cell is also excellent in maintainability, the above-mentioned problem, that is, peeling occurs at the adhesive interface between the separator and the gasket, and in some cases, this peeling progresses to a crack in the gasket, and the sealing performance at the end of the module However, it will not be possible to effectively solve the problem that is no longer secured.

特開2006−244765号公報JP 2006-244765 A

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックを形成するそれぞれの燃料電池セル内の電解質膜に異種材料がコンタミネート(付着等)することを効果的に防止でき、燃料電池スタックの中から性能が低下した燃料電池セルを抜き出して交換するといったメンテナンスに際してその効率性に優れ、さらには、流体シール性に優れた、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 can effectively prevent foreign materials from being contaminated (attached, etc.) to the electrolyte membrane in each fuel cell forming the fuel cell stack. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that is excellent in efficiency in maintenance such as extracting and replacing a fuel cell whose performance has deteriorated from the fuel cell stack, and further excellent in fluid sealability.

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、その両側に配されたガス透過層と、少なくともいずれか一方のガス透過層側に配されたセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体およびガス透過層の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つのモジュールが形成され、複数の該モジュールが積層されて、もしくは一つの該モジュールのみから燃料電池スタックが形成されてなる、燃料電池であって、前記セパレータのガスケットと当接する面には、該ガスケットと接着する接着領域と、ガスケットと接着しない非接着領域と、が設けられているものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode assembly, a gas permeable layer disposed on both sides thereof, and a separator disposed on at least one of the gas permeable layers. A plurality of battery cells are stacked, and each of the stacked membrane electrode assemblies and a gas gasket integrally formed on the periphery of the gas permeable layer are formed to form one module including a plurality of fuel battery cells. A fuel cell in which a fuel cell stack is formed by stacking or only one of the modules, and a surface of the separator that comes into contact with the gasket is bonded to the gasket, and the gasket is bonded to the gasket. A non-adhesive region is provided.

本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルを一つのモジュールとして形成し、このモジュールを複数積層して、もしくは一つのモジュールのみを燃料電池スタックとしたものであり、一つのモジュールにおいては、たとえばそれぞれの燃料電池セルが、積層姿勢で隣接する燃料電池セルとガスケットにて接着されるものの、当該ガスケットとセパレータの界面の一部に非接着領域が設けられた構造を呈することにより、たとえば射出成形後の脱型時の荷重(応力)解放の際のガスケットの変形追随性を高めることができ、もって、モジュールが過度に太鼓状に変形したり、ガスケットとセパレータの間の界面が剥離したり、ガスケットの一部が破断する等して、流体シール性が阻害されるという課題を効果的に解消することのできる燃料電池である。   The fuel cell of the present invention is formed by forming a plurality of fuel cells as one module and laminating a plurality of the modules, or only one module as a fuel cell stack. In one module, for example, Each fuel battery cell is bonded to an adjacent fuel battery cell in a stacking posture by a gasket, but exhibits a structure in which a non-adhesive region is provided at a part of the interface between the gasket and the separator, for example, injection molding. The deformation followability of the gasket at the time of releasing the load (stress) at the time of subsequent demolding can be improved, so that the module deforms excessively in a drum shape, the interface between the gasket and the separator peels, A fuel cell that can effectively eliminate the problem that the fluid sealability is hindered due to, for example, part of the gasket breaking. A.

上記する燃料電池(燃料電池スタック)を構成するモジュールの規模は多様に存在し、たとえば300基の燃料電池セルが積層されて一つの燃料電池が構成されるものにおいて、2基〜50基程度の範囲のセル基数で一つのモジュールを構成することができる。なお、複数の燃料電池セルで一つのモジュールを形成し、このモジュールを複数積層して一つの燃料電池スタックが形成されるものにおいて、このモジュールを多セル1モジュールの燃料電池などと称することもできる。   There are various scales of modules constituting the above-described fuel cell (fuel cell stack). For example, in the case where 300 fuel cells are stacked to constitute one fuel cell, there are about 2 to 50 units. One module can be configured with a range of cell radix. In the case where a single module is formed by a plurality of fuel cells and a plurality of the modules are stacked to form a single fuel cell stack, this module can also be referred to as a multi-cell 1-module fuel cell or the like. .

たとえば一つのモジュールが30基の燃料電池セルから構成される場合においては、射出成形や圧縮成形に際して、その両端以外の内部の28基の燃料電池セルの膜電極接合体は外部から完全に遮断されることとなり、異種材料が膜電極接合体を構成する電解質膜にコンタミネートすることを抑止できる。   For example, when one module is composed of 30 fuel cells, the membrane electrode assemblies of the 28 fuel cells inside other than both ends are completely cut off from the outside during injection molding or compression molding. In other words, it is possible to suppress contamination of the electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly with different materials.

本発明の燃料電池は、上記する多セル1モジュール構造の燃料電池を構成する各燃料電池セルにおいて、任意の燃料電池セルのガスケットが、当該燃料電池セルを構成する3層構造セパレータの面(当接面)との間で非接着領域を有する、および/または、積層姿勢で隣接する燃料電池セルの3層構造セパレータとの間で非接着領域を有するものであり、これらの構成により、上記する射出成形後の脱型時に応力が解放し、ガスケットに引張力が作用した際の、当該ガスケットの変形追随性が高められたものである。   In the fuel cell of the present invention, in each fuel cell constituting the fuel cell having the multi-cell one-module structure described above, an arbitrary fuel cell gasket is provided on the surface of the three-layer structure separator constituting the fuel cell. A non-adhesive region between the fuel cell and the three-layer structure separator adjacent to each other in the stacking posture. The stress is released at the time of demolding after the injection molding, and the deformation followability of the gasket is enhanced when a tensile force is applied to the gasket.

たとえば、非接着領域を設けることで、セパレータとガスケットの当接界面における接着領域が狭くなるため、結果として、当該界面近傍のガスケットの変形追随性が向上することになる。そのため、上記する太鼓状の変形モードが緩和され、射出成形後の脱型時におけるセル構造体の各構成部材の各接合面が可及的にフラットな姿勢を呈することとなる。このように過度な変形モードが緩和され、各構成部材の各接合面が可及的にフラットな姿勢を呈することにより、非接着領域から剥離が進展することもなくなり、ガスケットに亀裂が生じる虞もなくなることから、高いシール性を有する多セル1モジュール構造の燃料電池が得られることとなる。   For example, by providing the non-adhesion region, the adhesion region at the contact interface between the separator and the gasket becomes narrow, and as a result, the deformation followability of the gasket in the vicinity of the interface is improved. Therefore, the drum-shaped deformation mode described above is relaxed, and each joint surface of each constituent member of the cell structure at the time of demolding after injection molding assumes as flat a posture as possible. In this way, the excessive deformation mode is alleviated, and each joint surface of each component member assumes a flat as much as possible, so that the peeling does not progress from the non-adhesive region, and the gasket may be cracked. As a result, a fuel cell having a multi-cell one-module structure having high sealing properties can be obtained.

なお、ガスケットとセパレータの界面に非接着領域を設け、したがって接着領域が減少した際に、上記する応力解放時に作用する引張力に対して、この狭くなった接着領域にてガスケットとセパレータが十分に接着姿勢を維持する必要があることは言うまでもない。言い換えれば、このような接着姿勢の維持が可能な範囲で、非接着領域の範囲や形成部位が決定されることになる。   It should be noted that a non-adhesive region is provided at the interface between the gasket and the separator. Therefore, when the adhesive region is reduced, the gasket and the separator are sufficiently bonded in the narrowed adhesive region against the tensile force acting when the stress is released. Needless to say, it is necessary to maintain the bonding posture. In other words, the range of the non-adhesion region and the formation site are determined within a range in which such an adhesion posture can be maintained.

ここで、上記する非接着領域の具体的な形態は特に限定されるものではないが、ガスケットもしくはセパレータのいずれか一方の当接面の一部に形成された、非接着性シートもしくは非接着性コーティング層のいずれか一種を挙げることができる。たとえば、燃料電池セルのセパレータのうち、積層姿勢で隣接する燃料電池セル側の対向面に、非接着性シートもしくは非接着性シールを接着しておく、もしくは、非接着性コーティング層を施しておくといった形態や、ガスケットを挟持する上下のセパレータの双方にこれら非接着性シートや非接着性コーティング層を設けておく形態などがある。   Here, the specific form of the non-adhesive region is not particularly limited, but the non-adhesive sheet or non-adhesive formed on a part of the contact surface of either the gasket or the separator. Any one of the coating layers can be mentioned. For example, a non-adhesive sheet or a non-adhesive seal is adhered to a facing surface on the side of a fuel battery cell adjacent to each other in a stacking posture, or a non-adhesive coating layer is applied. And a form in which these non-adhesive sheets and non-adhesive coating layers are provided on both the upper and lower separators sandwiching the gasket.

一例として、ゴム素材のガスケットとの間で非接着性に優れ、燃料電池セルの構成素材である、パーフルオロスルフォン酸やテフロン(登録商標)を素材としたシート(もしくはシール)が接着された形態、あるいは、これらを素材とした溶液がコーティングされた形態などを挙げることができる。   As an example, a sheet (or seal) made of perfluorosulfonic acid or Teflon (registered trademark), which is excellent in non-adhesiveness with a rubber gasket and is a constituent material of a fuel cell, is bonded. Or the form etc. with which the solution which used these as a raw material was coated can be mentioned.

非接着性シートやコーティング層の形成素材、非接着領域を設けるセパレータの当接面部位やその範囲などは、射出成形後の脱型時にガスケットに作用する引張力に対して、セパレータおよびガスケットの双方の接着姿勢が維持されること、および、十分な非接着効果が発揮できること、などを勘案して、適宜設定されることになる。   The non-adhesive sheet and coating layer forming material, the contact surface part of the separator that provides the non-adhesive area, and its range are both the separator and gasket against the tensile force that acts on the gasket during demolding after injection molding. This is set as appropriate in consideration of the fact that the bonding posture is maintained and that a sufficient non-adhesive effect can be exhibited.

また、モジュールを形成する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する(拡散層基材が廃された)形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、この構成部材ユニットからなる燃料電池セルにおいては、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層(エキスパンドメタル等の金属多孔体)が配された構造の他にも、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された従来一般のセル構造を含むものである。   Further, the structure of the fuel cell forming the module is such that a gas diffusion layer comprising a diffusion layer base material and a current collecting layer is provided on both the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly, and the anode side and the cathode side. Any one of them includes both of the forms including only the current collecting layer (the diffusion layer base material is discarded). In the present specification, any of these forms is referred to as an electrode body. In addition, in the fuel cell comprising this component unit, in addition to the structure in which a gas flow path layer (metal porous body such as expanded metal) is arranged between a so-called flat type separator and an electrode body, It includes a conventional general cell structure in which separators having gas flow channel grooves formed on both sides of the body are directly arranged.

さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。また、ガス透過層がガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体からなる形態においては、該金属多孔体のみが電解質膜よりも側方に張り出している形態などもある。   Furthermore, the “gas permeable layer” is meant to include both a gas diffusion layer and a gas flow path layer. Therefore, in a cell configuration that does not include a gas flow path layer, a “gas permeable layer” means a “gas diffusion layer”, and in a cell configuration that includes both a gas diffusion layer and a gas flow path layer, The “permeation layer” means either or both of “gas diffusion layer” and “gas flow path layer”. Further, in the form in which the gas permeable layer is formed of a laminate of the gas diffusion layer and the gas flow path layer made of the metal porous body, there is a form in which only the metal porous body protrudes laterally from the electrolyte membrane.

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、複数の燃料電池セルをガスケットにて一体としてモジュールを形成し、複数のモジュールが積層されて燃料電池スタックが形成され、もしくは一つのモジュールのみから燃料電池スタックが形成されていることにより、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電解質膜のほとんどを、燃料電池の製造過程で異種材料とコンタミネートされることから効果的に防護することができる。また、ガスケットと当接するセパレータの面の一部に非接着領域が存在することで、射出成形後の脱型時の応力解放の際に作用する引張力に対する、ガスケットの変形追随性を高めることができ、もって、シール性能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, a plurality of fuel cells are integrated with a gasket to form a module, and a plurality of modules are stacked to form a fuel cell stack. By forming the fuel cell stack from only one module, most of the electrolyte membranes of the fuel cell constituting the fuel cell stack are effectively protected from being contaminated with different materials during the manufacturing process of the fuel cell. can do. In addition, the presence of a non-adhesive region on a part of the separator surface that comes into contact with the gasket can enhance the deformation followability of the gasket against the tensile force acting when releasing the stress at the time of demolding after injection molding. Therefore, a fuel cell excellent in sealing performance can be obtained.

本発明の燃料電池の一実施の形態の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of one embodiment of the fuel cell of the present invention. 図1のII領域を拡大した一実施の形態の拡大図である。It is the enlarged view of one Embodiment which expanded II area | region of FIG. (a)は、射出成形後の脱型時の応力解放によって引張力が作用した際の、従来構造のガスケットの変形態様を説明した模式図であり、(b)は本発明の燃料電池を構成するガスケットの変形態様を説明した模式図である。(A) is the schematic diagram explaining the deformation | transformation aspect of the gasket of the conventional structure when tensile force acted by the stress release at the time of the demolding after injection molding, (b) comprises the fuel cell of this invention. It is the schematic diagram explaining the deformation | transformation aspect of the gasket to do. 図1のII領域を拡大した他の実施の形態の拡大図である。It is the enlarged view of other embodiment which expanded the II area | region of FIG. 複数の燃料電池セルの電極体の周縁にガスケットが一体成形されてなるモジュールに関し、該モジュールがその中央で上下に突出した太鼓状を呈している状態を説明した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view explaining the state which is related to the module by which a gasket is integrally molded by the peripheral edge of the electrode body of a some fuel cell, and this module is exhibiting the drum shape which protruded up and down in the center.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、複数の燃料電池セルが一体成形されたガスケットにて一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。このモジュール100は、たとえば10〜50基の燃料電池セル10,…が積層され、ガスケット8が一体に成形されてなるものである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a module in which a plurality of fuel cells are integrated with a gasket formed integrally. In this module 100, for example, 10 to 50 fuel cells 10,... Are stacked, and the gasket 8 is integrally formed.

各燃料電池セル10は、3層構造を呈する1つのセパレータ7(図ではアノード側のセパレータとする)と、アノード側の金属多孔体6(ガス透過層、ガス流路層)、膜電極接合体1とカソード側およびアノード側のガス拡散層2,3(ガス透過層)とからなる電極体4、カソード側の金属多孔体5(ガス透過層、ガス流路層)と、から構成されている。なお、図示例以外にも、ガス拡散層2,3を具備しない燃料電池セルであってもよい。   Each fuel cell 10 includes a separator 7 having a three-layer structure (in the figure, a separator on the anode side), a metal porous body 6 (gas permeable layer, gas flow path layer) on the anode side, and a membrane electrode assembly. 1 and an electrode body 4 composed of gas diffusion layers 2 and 3 (gas permeable layer) on the cathode side and anode side, and a metal porous body 5 (gas permeable layer and gas flow path layer) on the cathode side. . In addition to the illustrated example, a fuel cell that does not include the gas diffusion layers 2 and 3 may be used.

ここで、膜電極接合体1を構成する電解質膜は、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。   Here, the electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly 1 is, for example, a fluorine ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, a sulfone. It is formed from a non-fluorine polymer such as fluorinated phenylene sulfide.

また、触媒層は、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、これを電解質膜やガス拡散層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。   The catalyst layer is a mixture of a conductive carrier (particulate carbon carrier, etc.) on which a catalyst is supported, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to produce a catalyst solution (catalyst ink). A catalyst layer is formed by stretching a film on a substrate such as an electrolyte membrane or a gas diffusion layer in a layer shape with a coating blade to form a coating film, and drying in a hot air drying furnace or the like. Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone And sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).

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。   Examples of the dispersion solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, and diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. , Propylene carbonate, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen solvents, and these can be used alone or as a mixed solution.

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。   Furthermore, regarding a conductive carrier carrying a catalyst, examples of the conductive carrier include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. As this catalyst (metal catalyst), for example, any one of platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium, etc. can be used, preferably platinum or platinum alloy is used. It is good to do. Furthermore, as this platinum alloy, for example, platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium and lead An alloy with at least one of them can be mentioned.

また、ガス拡散層2,3は、拡散層基材と集電層(MPL)からなるものであり、拡散層基材としては、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。   The gas diffusion layers 2 and 3 are each composed of a diffusion layer base material and a current collecting layer (MPL). The diffusion layer base material is not particularly limited as long as it has a low electrical resistance and can collect current. For example, those mainly composed of conductive inorganic substances can be mentioned. Examples of the conductive inorganic substances include calcined bodies from polyacrylonitrile, calcined bodies from pitch, graphite and expanded graphite. Examples thereof include carbon materials, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, and titanium.

また、拡散層基材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、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。   Further, the form of the conductive inorganic substance of the diffusion layer base material is not particularly limited. For example, the conductive inorganic substance is used in the form of fibers or particles, but is an inorganic conductive fiber from the viewpoint of gas permeability, and particularly carbon fiber. Is preferred. As the diffusion layer substrate using inorganic conductive fibers, a woven fabric or non-woven fabric structure can be used, and examples thereof include carbon paper and carbon cloth. The woven fabric is not particularly limited, such as plain weave and crest weave, and examples of the nonwoven fabric include those made by a papermaking method and a water jet punch method.

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、集電層はアノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすとともに、撥水作用を奏するものであり、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。   Further, examples of the carbon fiber include phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Furthermore, the current collecting layer plays the role of an electrode that collects electrons from the catalyst layer on the anode side and the cathode side, and also has a water repellency action. It can be formed from gold, silver, copper and their compounds or alloys, conductive carbon materials, and the like.

また、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さるのを防止し、さらには、射出成形されるガスケットに対して電解質膜を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。この保護ポリマーフィルムは、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。   Although not shown, in the exposed area where the electrolyte membrane is not in close contact with the catalyst layer at the periphery of the catalyst layer, fuzz protruding from the gas diffusion layer is prevented from sticking into the electrolyte membrane, Furthermore, the protective polymer film which has the effect which reinforces an electrolyte membrane with respect to the gasket by which injection molding is carried out is adhere | attached. This protective polymer film is made of polytetrafluoroethylene, PVDF (polyvinyl difluoride), polyethylene, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyphenylene ether (PPE), polypropylene, polyester, polyamide, copolyamide, polyamide elastomer, polyimide, It is formed from polyurethane, polyurethane elastomer, silicone, silicon rubber, silicon-based elastomer or the like.

また、ガス流路層である金属多孔体5,6は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からなる金属多孔体がガス流路層を形成するものである。   Further, the porous metal bodies 5 and 6 which are gas flow path layers can be formed from expanded metal or metal foam sintered body, for example, foam sintering of metal materials having excellent corrosion resistance such as titanium, stainless steel, copper and nickel. A porous metal body made of a body forms a gas flow path layer.

図示するモジュール100は、たとえば不図示の成形型内に構成基数分の燃料電池セル10,…を収容し、その姿勢でキャビティ内に樹脂を注入してガスケット8を形成し、該ガスケット8が上下のセパレータ7,7と接着することにより、モジュール100が一体に形成されるものである。   In the illustrated module 100, for example, a number of constituent fuel cells 10,... Are accommodated in a mold (not shown), and a resin 8 is injected into the cavity in that posture to form a gasket 8. The module 100 is integrally formed by bonding to the separators 7 and 7.

このガスケット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。   The gasket 8 is formed of a resin material such as butyl rubber, urethane rubber, silicone RTV rubber, methanol-resistant epoxy resin, epoxy-modified silicone resin, silicone resin, fluorine resin, or hydrocarbon resin.

なお、図示例では、ガスケット8の上端にマニホールドMを囲繞するシール用の無端リブ8aが設けてあり、モジュール100を積層させ、スタッキングした際に該リブ8aが潰されてシール構造を形成できるようになっている。   In the illustrated example, an endless rib 8a for sealing that surrounds the manifold M is provided at the upper end of the gasket 8, and when the modules 100 are stacked and stacked, the rib 8a can be crushed to form a sealing structure. It has become.

また、図1は、たとえば燃料ガスの供給マニホールドM、および排気マニホールドMを通る断面で切断したものであり、モジュール100を構成する各燃料電池セル10,…が積層姿勢において、その積層方向に流体連通したマニホールドMを形成している。図1では、マニホールドMから供給された燃料ガスが3層構造のセパレータ7中のガス流路7aを介してアノード側の多孔体6に提供される構造を示している。したがって、別の断面においては、カソード側の多孔体5に酸化剤ガスを提供するためのマニホールドが形成されている。   FIG. 1 is a cross section taken through a fuel gas supply manifold M and an exhaust manifold M, for example, and each fuel cell 10 constituting the module 100 is fluid in the stacking direction in a stacking posture. A communicating manifold M is formed. FIG. 1 shows a structure in which the fuel gas supplied from the manifold M is provided to the anode-side porous body 6 via the gas flow path 7a in the separator 7 having a three-layer structure. Therefore, in another cross section, a manifold for providing the oxidizing gas to the porous body 5 on the cathode side is formed.

3層構造のセパレータ7は、ステンレスやチタンからなる金属プレート71,72と、その間に、金属素材で冷却水流路が形成された中間層73が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、2枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。   The separator 7 having a three-layer structure is formed by interposing an intermediate layer 73 in which a cooling water passage is formed of a metal material between metal plates 71 and 72 made of stainless steel or titanium. It is also possible to adopt a form in which a frame material made of a resin material is used as an intermediate layer, and a large number of dimples or ribs for channel definition protrude from one of the two metal plates.

たとえば、図1で示すモジュール100が20基の燃料電池セル10,…から構成されている場合であって、燃料電池スタックを300基の燃料電池セル10,…から構成させようとする場合には、図示するモジュール100を15基積層し、スタッキングすることによって燃料電池スタックが形成される。   For example, when the module 100 shown in FIG. 1 is composed of 20 fuel cells 10,... And the fuel cell stack is composed of 300 fuel cells 10,. A fuel cell stack is formed by stacking 15 illustrated modules 100 and stacking them.

図からも明らかなように、たとえば射出成形に際し、モジュール100を構成する燃料電池セル10,…の電解質膜のほとんどは、複数のセルが積層していることで外部の異種材料と接触できないようになっており、したがって、特に射出成形の際に揮発ガスなどがコンタミネートすること、さらには、セル同士を積層する工程の際に浮遊する異種材料等がコンタミネートすることを防止できる。   As is apparent from the figure, for example, in injection molding, most of the electrolyte membranes of the fuel cells 10,... Constituting the module 100 are made in contact with an external dissimilar material because a plurality of cells are laminated. Therefore, it is possible to prevent volatile gases and the like from being contaminated particularly during injection molding, and further prevent contamination of foreign materials and the like floating during the process of stacking cells.

図2,3はそれぞれ、図1のII領域を拡大した拡大図であり、ガスケット8とセパレータ7の接合界面を模式的に示したものである。   2 and 3 are enlarged views of the II region of FIG. 1, and schematically show the bonding interface between the gasket 8 and the separator 7.

まず、図2で示す接合界面では、任意の燃料電池セル10において、隣接する他の燃料電池セル10と接触するガスケット8の面、もしくは該別途の燃料電池セル10のセパレータ7の面のいずれか一方に、双方が接着する接着領域Sのほかに、双方が接着していない非接着領域HSを有した形態である。   First, at the joining interface shown in FIG. 2, in any fuel cell 10, either the surface of the gasket 8 that comes into contact with another adjacent fuel cell 10 or the surface of the separator 7 of the separate fuel cell 10. On the other hand, in addition to the bonding area S where both are bonded, the non-bonding area HS where both are not bonded is provided.

たとえば、ゴム等との間で非接着性を有する、パーフルオロスルフォン酸やテフロン(登録商標)を素材としたシートHSがガスケット成形に先んじて当該セパレータ7の面に接着されており、あるいは、これらを素材とした溶液がセパレータ7の面にコーティングされてコーティング層HSを形成していることにより、射出成形にてガスケット8を成形した際に、これらシートHSやコーティング層HSが界面における非接着層HSとなる。   For example, a sheet HS made of perfluorosulfonic acid or Teflon (registered trademark) having non-adhesiveness with rubber or the like is adhered to the surface of the separator 7 prior to gasket molding, or these Since the separator 7 is coated on the surface of the separator 7 to form the coating layer HS, when the gasket 8 is formed by injection molding, the sheet HS or the coating layer HS is a non-adhesive layer at the interface. HS.

ガスケット8とセパレータ7の接着界面の所望部位に、所望範囲で非接着領域HSが形成されていることにより、図示するガスケット8とセパレータ7の全当接界面に射出成形後の脱型時の応力解放によって引張力が生じた場合でも、当該全当接界面の全面が接着している場合に比して、ガスケット8の接着領域が少なくなった分だけ当該界面近傍のガスケット8の変形追随性が向上する。   Since a non-adhesive region HS is formed in a desired range at a desired portion of the adhesive interface between the gasket 8 and the separator 7, stress at the time of demolding after injection molding is applied to the entire contact interface between the gasket 8 and the separator 7 shown in the figure. Even when the tensile force is generated by the release, the deformation followability of the gasket 8 in the vicinity of the interface is reduced by the amount of the bonded region of the gasket 8 as compared with the case where the entire surface of the entire contact interface is bonded. improves.

この作用の対比を、図3a,bを参照して説明する。なお、図3aは、出成形後の脱型時の応力解放によって引張力が作用した際の、従来構造のガスケットの変形態様を説明した模式図であり、図3bは、本発明の燃料電池を構成するガスケットの変形態様を説明した模式図である。   The contrast of this action will be described with reference to FIGS. 3a and 3b. FIG. 3a is a schematic diagram for explaining a deformation mode of a gasket having a conventional structure when a tensile force is applied by releasing stress at the time of demolding after extrusion, and FIG. 3b shows a fuel cell of the present invention. It is the schematic diagram explaining the deformation | transformation aspect of the gasket to comprise.

図3aで示す従来構造の燃料電池のセパレータでは、セパレータeとガスケットfの当接界面の全面で接着していたため、応力解放時に引張力Pが作用した際に、セパレータeとガスケットfの間の界面近傍での当該ガスケットfの変形性能を十分に期待することができず、そのために、図5のごとき中央に過大に膨らんだ太鼓状の変形モードが生じていた。このため、図示する接着領域Sに剥離が生じ、これが界面内に進展したり、ガスケット自体の亀裂に発展する危険性があった。   In the separator of the fuel cell having the conventional structure shown in FIG. 3a, since the entire surface of the contact interface between the separator e and the gasket f is adhered, when the tensile force P is applied at the time of stress release, the separator between the separator e and the gasket f is used. The deformation performance of the gasket f in the vicinity of the interface could not be sufficiently expected. For this reason, a drum-shaped deformation mode bulging excessively in the center as shown in FIG. 5 occurred. For this reason, there is a risk that peeling occurs in the illustrated adhesive region S, which develops into the interface, or develops a crack in the gasket itself.

これに対して、図3bで示す本発明の燃料電池では、セパレータ7の面に非接着領域HSが設けられ、接着領域Sの範囲が減少したことにより、ガスケット8の界面近傍における変形性能が向上することは理解に易い。したがって、上記と同様に引張力Pが作用した際に、ガスケット8の接着領域Sは変形し(変形量:δ)、この変形の際にガスケット8と非接着領域HSの間にはエアギャップGが形成される。そして、ガスケット8が図示のごとく変形することで、モジュール構成部材である、各燃料電池セルのセパレータやガスケット、電極体等の接合界面を略フラットに維持することができ、図5のような太鼓状の変形モードは効果的に解消されるのである。   On the other hand, in the fuel cell of the present invention shown in FIG. 3b, the non-adhesion region HS is provided on the surface of the separator 7, and the deformation performance near the interface of the gasket 8 is improved by reducing the range of the adhesion region S. It is easy to understand. Accordingly, when the tensile force P is applied in the same manner as described above, the bonded region S of the gasket 8 is deformed (deformation amount: δ), and the air gap G is formed between the gasket 8 and the non-bonded region HS during the deformation. Is formed. Then, the gasket 8 is deformed as shown in the figure, so that the joining interfaces of the separators, gaskets, electrode bodies, etc. of the respective fuel cells, which are module constituent members, can be maintained substantially flat. The deformation mode is effectively eliminated.

尤も、非接着領域HSによってその範囲が低減された接着領域Sのみによって、作用する引張力Pに抗し得る接着力を有している、すなわち、セパレータ7とガスケット8の間の接着姿勢を維持する必要があることは言うまでもない。   However, only the adhesive region S whose range is reduced by the non-adhesive region HS has an adhesive force that can resist the acting tensile force P, that is, the adhesive posture between the separator 7 and the gasket 8 is maintained. It goes without saying that you need to do it.

一方、図3で示す形態の接合界面は、任意の燃料電池セル10を構成するガスケット8が接触する上下のセパレータ7,7双方の面に、セパレータ7とガスケット8が接着する接着領域Sのほかに、双方が接着していない非接着領域HSを有したものである。   On the other hand, the joining interface of the form shown in FIG. 3 has an adhesive region S where the separator 7 and the gasket 8 are bonded to both surfaces of the upper and lower separators 7 and 7 where the gasket 8 constituting the arbitrary fuel cell 10 contacts. In addition, there is a non-bonding region HS in which both are not bonded.

すなわち、この形態では、ガスケット8の上下面で非接着領域HSが存在するため、一層高い変形追随性を有するガス流路とセパレータ7との界面構造が形成されることとなる。実際に電気自動車等に車載される燃料電池システムは、図示する燃料電池100(燃料電池スタック)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。   That is, in this embodiment, since the non-adhesive regions HS exist on the upper and lower surfaces of the gasket 8, an interface structure between the gas flow path and the separator 7 having higher deformation followability is formed. A fuel cell system that is actually mounted on an electric vehicle or the like includes a fuel cell 100 (fuel cell stack) shown in the figure, various tanks that contain hydrogen gas and air, a blower and fuel for providing these gases to the fuel cell. It is mainly composed of a radiator for cooling the battery, a battery for storing electric power generated by the fuel cell, a drive motor driven by this electric power, and the like.

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…膜電極接合体、2…(カソード側)ガス拡散層(ガス透過層)、3…(アノード側)ガス拡散層(ガス透過層)、4…電極体、5…(カソード側)金属多孔体(ガス透過層)、6…(アノード側)金属多孔体(ガス透過層)、7…セパレータ、71,72…金属プレート、73…流路形成用中間層、7a…ガス流路、8…ガスケット、8a…シール用の無端リブ、10…燃料電池セル、100…モジュール、M…マニホールド、S…接着領域、HS…非接着領域(シート、コーティング層) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly, 2 ... (Cathode side) Gas diffusion layer (gas permeable layer), 3 ... (Anode side) Gas diffusion layer (gas permeable layer), 4 ... Electrode body, 5 ... (Cathode side) Metal porous (Gas permeable layer), 6 ... (anode side) porous metal body (gas permeable layer), 7 ... separator, 71, 72 ... metal plate, 73 ... intermediate layer for channel formation, 7a ... gas channel, 8 ... Gasket, 8a ... Endless rib for sealing, 10 ... Fuel cell, 100 ... Module, M ... Manifold, S ... Adhesion area, HS ... Non-adhesion area (sheet, coating layer)

Claims (5)

膜電極接合体と、その両側に配されたガス透過層と、少なくともいずれか一方のガス透過層側に配されたセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体およびガス透過層の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つのモジュールが形成され、複数の該モジュールが積層されて、もしくは一つの該モジュールのみから燃料電池スタックが形成されてなる、燃料電池であって、
前記セパレータのガスケットと当接する面には、該ガスケットと接着する接着領域と、ガスケットと接着しない非接着領域と、が設けられている、燃料電池。
A plurality of fuel cell units each including a membrane electrode assembly, a gas permeable layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and a separator disposed on at least one of the gas permeable layers are stacked, and the stacked membrane electrodes A gasket integrally formed on the periphery of the joined body and the gas permeable layer is formed to form one module composed of a plurality of fuel cells, and a plurality of the modules are stacked, or a fuel cell is formed from only one of the modules. A fuel cell in which a stack is formed,
A fuel cell, wherein a surface of the separator that contacts the gasket is provided with an adhesion region that adheres to the gasket and a non-adhesion region that does not adhere to the gasket.
前記非接着領域は、前記燃料電池セルのうち、積層姿勢で隣接する別途の燃料電池セルのガスケットと当接するセパレータの面にのみ設けられている、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the non-adhesion region is provided only on a surface of a separator that comes into contact with a gasket of a separate fuel cell adjacent to the fuel cell in a stacked posture. 前記非接着領域は、前記燃料電池セルのうち、当該燃料電池セルを構成するセパレータがガスケットと当接する面、および、積層姿勢で隣接する別途の燃料電池セルのガスケットと当接するセパレータの面、の双方に設けられている、請求項1に記載の燃料電池。   The non-adhesion region is a surface of the fuel cell in which the separator constituting the fuel cell contacts the gasket, and a surface of the separator that contacts the gasket of another fuel cell adjacent in the stacking posture. The fuel cell according to claim 1, which is provided on both sides. 前記非接着性領域は、前記ガスケットとの間で非接着性を有する、非接着性シートもしくは非接着性コーティング層のいずれか一種からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the non-adhesive region is made of any one of a non-adhesive sheet and a non-adhesive coating layer having non-adhesiveness with the gasket. 前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくはそれらの積層体のいずれか一方からなる、請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas permeable layer is composed of any one of a gas diffusion layer, a gas flow path layer made of a metal porous body, or a laminate thereof.
JP2009137548A 2009-06-08 2009-06-08 Fuel cell Withdrawn JP2010282940A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009137548A JP2010282940A (en) 2009-06-08 2009-06-08 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009137548A JP2010282940A (en) 2009-06-08 2009-06-08 Fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010282940A true JP2010282940A (en) 2010-12-16

Family

ID=43539496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009137548A Withdrawn JP2010282940A (en) 2009-06-08 2009-06-08 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010282940A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011054399A (en) * 2009-09-01 2011-03-17 Nok Corp Fuel cell constituting component
WO2013021523A1 (en) * 2011-08-10 2013-02-14 パナソニック株式会社 Fuel cell
WO2014068854A1 (en) 2012-11-02 2014-05-08 トヨタ自動車株式会社 Cell module and fuel cell stack
JP2014205334A (en) * 2013-04-16 2014-10-30 Nok株式会社 Method of producing substrate-integrated gasket
JP2015106477A (en) * 2013-11-29 2015-06-08 株式会社フジクラ Fuel cell stack and manufacturing method for the same
JP2016149197A (en) * 2015-02-10 2016-08-18 本田技研工業株式会社 Fuel battery and manufacturing method for the same

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011054399A (en) * 2009-09-01 2011-03-17 Nok Corp Fuel cell constituting component
US9196910B2 (en) 2011-08-10 2015-11-24 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell
CN103069630A (en) * 2011-08-10 2013-04-24 松下电器产业株式会社 Fuel cell
JP5302481B2 (en) * 2011-08-10 2013-10-02 パナソニック株式会社 Fuel cell
WO2013021523A1 (en) * 2011-08-10 2013-02-14 パナソニック株式会社 Fuel cell
WO2014068854A1 (en) 2012-11-02 2014-05-08 トヨタ自動車株式会社 Cell module and fuel cell stack
JP2014093168A (en) * 2012-11-02 2014-05-19 Toyota Motor Corp Cell module and fuel cell stack
CN104769761A (en) * 2012-11-02 2015-07-08 丰田自动车株式会社 Cell module and fuel cell stack
CN104769761B (en) * 2012-11-02 2016-08-17 丰田自动车株式会社 Battery module and fuel cell unit
US9525188B2 (en) 2012-11-02 2016-12-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Cell module and fuel cell stack
JP2014205334A (en) * 2013-04-16 2014-10-30 Nok株式会社 Method of producing substrate-integrated gasket
US10391689B2 (en) 2013-04-16 2019-08-27 Nok Corporation Method for manufacturing substrate-integrated gasket
JP2015106477A (en) * 2013-11-29 2015-06-08 株式会社フジクラ Fuel cell stack and manufacturing method for the same
JP2016149197A (en) * 2015-02-10 2016-08-18 本田技研工業株式会社 Fuel battery and manufacturing method for the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9806354B2 (en) Method for manufacturing reinforced membrane electrode assembly and reinforced membrane electrode assembly
US20140045101A1 (en) Fuel cell module and fuel cell stack
JP5181969B2 (en) Fuel cell
US20150010846A1 (en) Electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP2010282940A (en) Fuel cell
JP5181950B2 (en) Fuel cell
JP2010027234A (en) Fuel battery, and manufacturing method of electrode body of fuel battery cell
JP2010049933A (en) Manufacturing method for electrode of fuel cell
JP2010003470A (en) Fuel cell
JP2010244871A (en) Fuel cell
JP2010211964A (en) Method of manufacturing fuel battery
JP2010113890A (en) Manufacturing method of fuel cell
JP2011129367A (en) Fuel cell
JP2010186711A (en) Fuel cell
JP2010097895A (en) Fuel cell
JP2010140716A (en) Fuel battery
JP2010198763A (en) Fuel cell
JP2010218717A (en) Fuel cell
JP2011129265A (en) Fuel cell
JP2010182636A (en) Method of manufacturing fuel cell
JP5403491B2 (en) Membrane electrode assembly and manufacturing method thereof
JP2010186627A (en) Fuel battery
JP2010262829A (en) Method of manufacturing fuel cell
JP2010170914A (en) Fuel cell
JP2010140682A (en) Fuel battery, fuel battery cell, and component unit thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20120904