JP2014120248A - Fuel cell and method for manufacturing fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell.
燃料電池は、一般的に、電解質膜の両面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させた電極(触媒電極)が配置された発電体である膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下、MEA)を備える。MEAの両面には、反応ガスを拡散させて触媒電極全体に行き渡らせるためのガス拡散層が配置される。ガス拡散層が配置されたMEA(膜電極ガス拡散層接合体(Membrane−Electrode Gas Diffusion Layer Assembly、以下、MEGA))は、一対のセパレータにより狭持される。一対のセパレータ間のMEGAの外周には、反応ガスの漏洩(いわゆるクロスリーク)、および、電極同士の電気的短絡、を抑制するためのシール部が形成される。 In general, a fuel cell is a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as a membrane electrode assembly), which is a power generator in which electrodes (catalyst electrodes) carrying a catalyst for promoting a fuel cell reaction are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane. , MEA). On both surfaces of the MEA, gas diffusion layers for diffusing the reaction gas and spreading it over the entire catalyst electrode are arranged. An MEA in which a gas diffusion layer is disposed (a membrane electrode diffusion layer assembly (hereinafter referred to as MEGA)) is sandwiched between a pair of separators. On the outer periphery of the MEGA between the pair of separators, a seal portion for suppressing leakage of the reaction gas (so-called cross leak) and electrical short circuit between the electrodes is formed.
特許文献1には、MEAと、ガス拡散層と、MEAの端面に沿って形成された第1のシール部と、ガス拡散層の端面に沿って形成された第2のシール部と、を備える燃料電池が記載されている。この燃料電池は、MEAとガス拡散層とセパレータとが、MEAの両面にガス拡散層が配置されると共に、ガス拡散層のMEAに対向する側とは反対側の面にセパレータが配置されるように積層された構成を有している。第1のシール部は、セパレータとの間で外部へのガスの漏洩を抑制する有効シール部(リップ部)を有している。第2のシール部は、積層前に、積層後にMEAの積層面とセパレータの積層面とに密着するように、拡散層と一体として形成されている。また、第2のシール部の積層前の形状は、燃料電池の積層方向に沿った厚さがガス拡散層の厚さよりも大きい形状であり、積層時に第2のシール部がMEAとセパレータとの間に挟まれて変形し、MEAおよびセパレータに密接することにより、ガス拡散層からのガスの漏洩を抑制する。また、第1のシール部の積層前の形状も、積層方向に沿った厚さがMEAとガス拡散層とを積層した厚さよりも大きい形状であり、積層時にセパレータの間に挟まれて変形し、セパレータに密接することにより、セパレータとの間で外部へのガスの漏洩を抑制する。 Patent Document 1 includes an MEA, a gas diffusion layer, a first seal portion formed along the end surface of the MEA, and a second seal portion formed along the end surface of the gas diffusion layer. A fuel cell is described. In this fuel cell, the MEA, the gas diffusion layer, and the separator are arranged such that the gas diffusion layer is arranged on both sides of the MEA, and the separator is arranged on the surface of the gas diffusion layer opposite to the side facing the MEA. It has the structure laminated | stacked on. The first seal portion has an effective seal portion (lip portion) that suppresses gas leakage to the outside between the first seal portion and the separator. The second seal portion is formed integrally with the diffusion layer so as to be in close contact with the lamination surface of the MEA and the lamination surface of the separator after lamination before lamination. In addition, the shape of the second seal portion before stacking is a shape in which the thickness along the stacking direction of the fuel cell is larger than the thickness of the gas diffusion layer, and the second seal portion is formed between the MEA and the separator during stacking. By being sandwiched and deformed and closely contacting the MEA and the separator, leakage of gas from the gas diffusion layer is suppressed. The shape of the first seal portion before lamination is also larger than the thickness of the MEA and the gas diffusion layer laminated, and is deformed by being sandwiched between the separators during lamination. In close contact with the separator, leakage of gas to the outside between the separator is suppressed.
特許文献1に記載された燃料電池等の従来の燃料電池では、セパレータをガス拡散層に密接させ、かつ、ガス拡散層をMEAに密接させるために、あらかじめ規定した一定荷重を掛けて、MEAおよびガス拡散層を一対のセパレータで挟持させた構造が一般的であった。このような構造の場合、ガス拡散層が配置されたMEA(MEGA)の厚さに関わらずMEGAには一定荷重が加わるため、各部材の寸法公差等のばらつきを吸収して、燃料電池の積層方向の厚さ、すなわち、セパレータ間の間隔を一定に規定することが困難となる。また、特許文献1では、2つのシール部を有する構造であり、コスト、量産性の点では十分ではなかった。このため、より単純な構造で、シール機能を発揮するとともにセパレータ間の間隔を規定することが可能な技術が望まれていた。また、低コスト化や量産性の向上等が望まれていた。 In a conventional fuel cell such as the fuel cell described in Patent Document 1, in order to bring the separator into close contact with the gas diffusion layer and close contact with the MEA, the MEA and the MEA A structure in which a gas diffusion layer is sandwiched between a pair of separators is common. In such a structure, a constant load is applied to the MEGA regardless of the thickness of the MEA (MEGA) on which the gas diffusion layer is disposed. It becomes difficult to define the thickness in the direction, that is, the interval between the separators to be constant. Moreover, in patent document 1, it is a structure which has two seal parts, and was not enough at the point of cost and mass-productivity. For this reason, there has been a demand for a technique that has a simpler structure, can exhibit a sealing function, and can define the interval between separators. Moreover, cost reduction and improvement in mass productivity have been desired.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極ガス拡散層接合体と;前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配置されたシール部材と;前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと;を備える。前記シール部材は、熱可塑性樹脂で構成されるコア層と;前記コア層の前記一対のセパレータに接する両側の表層に形成され、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着する一対のスキン層と;を備える。前記一対のセパレータで狭持される前の前記シール部材の厚さは、前記一対のセパレータで狭持される前の前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さよりも大きく、前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の前記一対のスキン層の合計の厚さは、前記膜電極ガス拡散層接合体が前記一対のセパレータで挟持されたときに発生する前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さの減少量よりも大きい。この形態の燃料電池によれば、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、一対のセパレータを介して掛けられる荷重に応じて変化する膜電極ガス拡散層接合体の厚さの変化に応じてシール部材のスキン層の厚さが変化して吸収することができる。また、膜電極ガス拡散層接合体の寸法公差、膜電極ガス拡散層接合体を構成する部材の寸法公差等の寸法公差もシール部材のスキン層の厚さが変化して吸収することができる。これにより、セパレータ間の間隔がコア層の厚さ(厳密には、コア層およびセパレータとコア層との接着に要するスキン層の厚さ)で規定される寸法となるまで、荷重の大きさを規定せずに荷重を掛けることができる。この結果、一対のセパレータ間の間隔が一定となるように規定した燃料電池を容易に一体化形成することが可能となる。また、膜電極ガス拡散層接合体およびシール部材を一対のセパレータで挟持して一体化形成する際に、膜電極ガス拡散層接合体が一対のセパレータに接触し、かつ、膜電極ガス拡散層接合体に一対のセパレータを介して確実に荷重がかかる状態となるので、膜電極ガス拡散層接合体と一対のセパレータとの接合性を高めることができる。これにより、膜電極ガス拡散層接合体と一対のセパレータとの接合性を要因とする発電特性の低下を抑制し、発電特性の改善を図ることが可能である。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell is provided. The fuel cell includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly; a seal member disposed on an outer periphery of the membrane electrode gas diffusion layer assembly; a pair of sandwiching the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member And a separator. The seal member includes a core layer made of a thermoplastic resin; a pair of skin layers formed on the surface layers on both sides of the core layer in contact with the pair of separators, and bonding the pair of separators to the core layer; Comprising. The thickness of the sealing member before being sandwiched between the pair of separators is larger than the thickness of the membrane electrode gas diffusion layer assembly before being sandwiched between the pair of separators, and is sandwiched between the pair of separators. The total thickness of the pair of skin layers of the seal member before being formed is that of the membrane electrode gas diffusion layer assembly generated when the membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between the pair of separators. Greater than the thickness reduction. According to the fuel cell of this embodiment, when the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member are sandwiched and integrally formed by the pair of separators, the membrane electrode changes depending on the load applied through the pair of separators The thickness of the skin layer of the sealing member can be changed and absorbed in accordance with the change of the thickness of the gas diffusion layer assembly. Further, dimensional tolerances such as a dimensional tolerance of the membrane electrode gas diffusion layer assembly and a dimensional tolerance of members constituting the membrane electrode gas diffusion layer assembly can be absorbed by changing the thickness of the skin layer of the seal member. As a result, the magnitude of the load is reduced until the distance between the separators becomes a dimension defined by the thickness of the core layer (strictly, the thickness of the skin layer required for adhesion between the core layer and the separator and the core layer). A load can be applied without prescribing. As a result, it is possible to easily integrally form fuel cells that are defined so that the distance between the pair of separators is constant. Further, when the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member are sandwiched and integrally formed by a pair of separators, the membrane electrode gas diffusion layer assembly contacts the pair of separators, and the membrane electrode gas diffusion layer junction Since the load is reliably applied to the body via the pair of separators, the bondability between the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the pair of separators can be improved. Thereby, it is possible to suppress the deterioration of the power generation characteristics due to the bondability between the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the pair of separators, and to improve the power generation characteristics.
(2)上記形態の燃料電池において、前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の少なくとも一方のスキン層の体積が、前記一対のセパレータで挟持されるときの前記膜電極ガス拡散層接合体と前記シール部材との間の空間の体積よりも大きくなるようにしてもよい。この形態の燃料電池によれば、膜電極ガス拡散層接合体とシール部材との間の隙間が無くなるので、膜電極ガス拡散層接合体の膨潤・収縮を抑制し、膨潤・収縮によって発生する膜電極ガス拡散層接合体の劣化を抑制し、クロスリーク等の特性劣化を抑制することが可能となる。 (2) In the fuel cell of the above aspect, the membrane electrode gas diffusion layer bonding when the volume of at least one skin layer of the seal member before being sandwiched between the pair of separators is sandwiched between the pair of separators You may make it become larger than the volume of the space between a body and the said sealing member. According to the fuel cell of this embodiment, since there is no gap between the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the sealing member, the membrane electrode gas diffusion layer assembly is suppressed from swelling / shrinking, and the membrane generated by swelling / shrinking Deterioration of the electrode gas diffusion layer assembly can be suppressed, and characteristic deterioration such as cross leakage can be suppressed.
本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の製造方法や燃料電池を備える燃料電池システム、燃料電池を備える車両等の形態で実現することができる。 The present invention can also be realized in various forms other than the fuel cell. For example, it is realizable with forms, such as a manufacturing method of a fuel cell, a fuel cell system provided with a fuel cell, a vehicle provided with a fuel cell.
A.第1実施形態:
図1は、第1実施形態として燃料電池を構成する燃料電池セルの概略構成を示す断面模式図である。この燃料電池セル100は、反応ガスとしての燃料ガス(例えば水素)および酸化剤ガス(例えば酸素)の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池である。なお、燃料電池は、通常、複数の燃料電池セル100を積層したスタック構造とされる。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell constituting a fuel cell as a first embodiment. The
燃料電池セル100は、MEA(膜電極接合体)10の一方の面にアノード側ガス拡散層22aが配置され、他方の面にカソード側ガス拡散層22cが配置されたMEGA(膜電極ガス拡散層接合体)20と、MEGA20の外周部に配置されたシール部材40と、MEGA20およびシール部材40を狭持するアノード側セパレータ30aおよびカソード側セパレータ30cと、を備える。なお、アノード側セパレータ30aとカソード側セパレータ30cを、特に区別しない場合には、単に「セパレータ30」ともいう。
The
MEA10は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である電解質膜11の両面に、燃料電池反応を促進するための触媒を担持させたアノード側触媒層12aおよびカソード側触媒層12cが設けられた発電体である。電解質膜11は、例えば、ナフィオン(登録商標)などのフッ素系のイオン交換膜によって構成することができる。アノード側触媒層12aおよびカソード側触媒層12cは、例えば、白金(Pt)などを担持したカーボン担体と、プロトン伝導性を有するアイオノマーとを含む触媒インクを、電解質膜11に塗布することにより形成することができる。
The MEA 10 includes an anode-side catalyst layer 12a and a cathode-side catalyst layer 12c in which a catalyst for promoting a fuel cell reaction is supported on both surfaces of an
MEGA20は、MEA10のアノード側触媒層12aが設けられている面側にアノード側ガス拡散層22aを備え、カソード側触媒層12cが設けられている面側にカソード側ガス拡散層22cを備えている。アノード側ガス拡散層22aおよびカソード側ガス拡散層22cは、ガス透過性を有するとともに導電性を有し、また、バネ性を有する材料で形成されている。ガス拡散層の材料としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス、ステンレス繊維製ペーパ等が利用される。
The MEGA 20 includes an anode side
一対のセパレータ30は、MEGA20およびシール部材40を狭持している。セパレータ30は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材、本実施形態では、プレス成形されたステンレス鋼によって形成されている。なお、セパレータ30は、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材や、緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成することもできる。
The pair of separators 30 sandwich the MEGA 20 and the
シール部材40は、クロスリークおよび電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。シール部材40は、コア層41のセパレータ30側の両面に少なくとも一対のスキン層42を備えた3層構造を有している。ただし、図の例では、コア層41の表面をスキン層42が覆った構造とされている。なお、この点については後述する。コア層41は熱可塑性樹脂で構成され、後述するようにして燃料電池セル100を形成する際の温度条件においても構造が変化しない性質を有する。スキン層42は、コア層41とセパレータ30とを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、燃料電位セル100を形成する際の温度条件において軟化する、例えば、粘度・融点が低い性質を有する。スキン層42としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー等の種々の材料を用いて構成することができる。本実施形態では、コア層41としてポリプロピレンを用いている。また、スキン層42として、変性ポリオレフィンであるアドマー(登録商標)を用いている。
The
なお、図示は省略されているが、燃料ガス流路はアノード側ガス拡散層22aとアノード側セパレータ30aの間に、酸化剤ガス流路はカソード側ガス拡散層22cとカソード側セパレータ30cとの間にそれぞれ形成されている。燃料ガス流路は水素ガスの流路であり、酸化剤ガス流路は酸素ガスの流路である。
Although not shown, the fuel gas flow path is between the anode side
図2は、燃料電池セルの製造方法について示す説明図である。前提として、まず、MEGA20と、シール部材40と、アノード側セパレータ30aおよびカソード側セパレータ30cと、を用意する。MEGA20は、例えば、MEA10のカソード側触媒層12cの面にカソード側拡散層22cを配置し、アノード側触媒層12aの面にアノード側ガス拡散層22aを配置して、例えば100℃から160℃の温度で熱圧着することにより作製される。MEA10は、例えば、白金を担持したカーボン担体とアイオノマーとを溶媒に混合して生成した触媒インクを、電解質膜11の両側の面に塗布して、カソード側触媒層12cおよびアノード側触媒層12aを形成することにより、作製される。なお、シール部材40としては、燃料電池セル作製前(以下、「セル化前」という)の厚さYarが、セル化前のMEGA20の厚さXrよりも大きい部材が用いられる。また、シール部材40としては、コア層41の厚さYcがセル化前のMEGA20の厚さXrよりも小さく、スキン層42の厚さYsrが、MEGA20のセル化前の厚さXrに対するセル化後の厚さXsの減少量Xd(=Xr−Xs)に対して、2・Ysr>Xdの関係を満たす部材が用いられる。なお、スキン層42の厚さYsrの条件についてはさらに後述する。
FIG. 2 is an explanatory view showing a method for manufacturing a fuel cell. As a premise, first, the
そして、図2に示すように、MEGA20の外周にシール部材40を配置し、MEGA20およびシール部材40を、アノード側セパレータ30aおよびカソード側セパレータ30cで挟んで熱圧着することにより、図1に示した燃料電池セル100が作製される。
Then, as shown in FIG. 2, the sealing
図3は、図2に示した燃料電池セルの製造方法による燃料電池セルの作製過程の概略を示す説明図である。図2に示すように、アノード側セパレータ30aおよびカソード側セパレータ30cの間に配置したMEGA20およびシール部材40に対して、あらかじめ設定したセル化温度環境下で、アノード側セパレータ30aおよびカソード側セパレータ30cを介して荷重を掛けていく。セル化温度は、シール部材40のコア層41の軟化温度(融点)よりも低い温度で、かつ、スキン層42の軟化温度(融点)よりも高い温度に設定される。コア層41の軟化温度よりも低い温度とするのは、後述するように、セル化後のMEGAの厚さXs、すなわち、一対のセパレータ30間の間隔を規定するための構造体としてシール部材40のコア層41を機能させるために、熱圧着時においてコア層41の構造が変化しない状態とするためである。また、スキン層42の軟化温度よりも高い温度とするのは、スキン層42とセパレータ30との接触性を高めて、接着性およびシール性を高めるとともに、軟化による流動性を高めるためである。例えば、上記したコア層41のポリプロピレンの融点が160℃で、上記したスキン層42のアドマーの融点が40℃の場合、セル化温度は145℃〜155℃に設定される。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an outline of a manufacturing process of a fuel cell by the method for manufacturing the fuel cell shown in FIG. As shown in FIG. 2, the anode-
なお、セル化後のMEGA20の厚さXs(シール部材40の厚さYa)は、例えば、以下のように設定される。図4は、MEGAに対して圧縮方向に加圧した場合の荷重と膜厚との関係を示すグラフである。図4に示すように、MEGAの膜厚は荷重に応じたひずみ量の分だけ圧縮された厚さに変化する弾性特性を有している。したがって、例えば、熱圧着時においてMEGA20に掛かかる荷重をFsに設定したとすると、あらかじめ実測することにより取得したMEGA20の応力―歪み曲線から、設定した荷重Fsに対応するひずみ量(上記減少量に相当する)Xdが求められる。そして、セル化後のMEGA20の膜厚(セル化後膜厚)Xsは、セル化前のMEGA20の膜厚(セル化前膜厚)Xrから求められたひずみ量Xdを減算することにより設定される。また、逆に、セル化後のMEGA20の膜厚Xsを決定すれば、対応する荷重Fsおよび減少量Xdが決定される。
Note that the thickness Xs of the
燃料電池セルの作製の初期段階では、図3(A)に示すように、MEGA20の厚さXrはシール部材40の厚さYarよりも小さいため、MEGA20には荷重は掛からずシール部材40にのみ荷重が掛かかり、一対のセパレータ30間の間隔が狭まって、シール部材40のみが圧縮されていく。このとき、セル化温度がスキン層42の融点よりも高いため、シール部材40のスキン層42はセル化温度下において軟化し、スキン層42を構成する部材が圧縮の荷重を受けて流動して横方向の空間へ溢れ出し、スキン層42の厚さが荷重に応じて小さくなっていく。
In the initial stage of manufacturing the fuel cell, as shown in FIG. 3A, since the thickness Xr of the
そして、図3(B)に示すように、シール部材40の厚さがMEGA20の厚さXrに等しくなるまで圧縮されると、一対のセパレータ30はMEGA20に接し、MEGA20にも荷重が掛かかる。MEGA20は加わる荷重に応じた歪み量で圧縮され、シール部材40は、MEGA20の圧縮の歪み量を吸収するようにスキン層42が流動して圧縮されていく。
3B, when the
ここで、シール部材40のコア層41によって、一対のセパレータ30を介して、MEGA20およびシール部材40に加える荷重を増やしても、一対のセパレータ30間の間隔の減少量が急激に減少してほほ変動しない状態、いわゆる、「ドンつき」の状態が発生する。したがって、一対のセパレータ30間には、間隔がほぼ変動しないドンつきの状態となるまで、荷重の大きさを管理することなく、単純に荷重を掛けることが可能となる。なお、この場合、図3(C)に示すように、シール部材40の厚さYaは、コア層41の厚さYcと、セパレータ30とコア層41との間の接着に要する一対のスキン層42の厚さYsの合計(2・Ys)と、の和で表される。ただし、接着に要するスキン層42の厚さYsは、コア層41の厚さYcに比べれば非常に小さいので、シール部材40の厚さYaは、ほぼコア層41の厚さYcと考えても実質的には差し支えない。
Here, even if the load applied to the
そして、図3(C)に示すように、「ドンつき」状態とした荷重を維持したまま、セル化温度を下げる。このとき、荷重を解放したとしてもセパレータ30間の間隔が変化せず、スキン層42による接着が担保できる温度まで低下したら、荷重を解放する。これにより、一対のセパレータ30間の間隔、すなわち、MEGA20の厚さXsが、シール部材40の厚さYaによって規定された燃料電池セル100を得ることが可能となる。なお、スキン層42の荷重により流動して空間に溢れ出した部分は、コア層41の面を覆うようにして硬化する。
Then, as shown in FIG. 3C, the cell-forming temperature is lowered while maintaining the load in the “don't stick” state. At this time, even if the load is released, the interval between the separators 30 does not change, and the load is released if the temperature is lowered to a temperature at which adhesion by the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル100は、MEGA20の厚さXrよりも大きい厚さYarのシール部材40を、MEGA20の外周に配置し、一対のセパレータ30で両側から熱圧着することにより、厚さXsのMEGA20および厚さYa(=Xs)のシール部材40が一対のセパレータ30で挟持された構造を有している(図1および図3(C)参照)。そして、シール部材40は、シール部材の構造を規定するコア層41と、セパレータ30との接着性を確保し、接着後におけるセル内部のシール性を確保するスキン層42と、で構成される。また、セル化前のシール部材40のスキン層42の厚さYsrは、セル化によるMEGA20の厚さの減少量Xd(=Xr−Xs)に対して、2・Ysr>Xdの関係を満たすように設定されている(図2および図3(A)参照)。これにより、熱圧着によって圧縮されたMEGAの厚さの変化を、スキン層の厚さを変化させることにより吸収し、熱圧着後のMEGAの厚さ、すなわち、熱圧着後のセパレータ間の間隔を、単純な構造のシール部材によって規定することが可能となる。また、MEGAを構成する部材の寸法公差等の寸法公差をシール部材のスキン層の厚さを変化させることにより吸収して、熱圧着後のセパレータ間の間隔を、単純な構造のシール部材によって規定することが可能となる。
As described above, in the
また、熱圧着時において、ドンつき状態となるまでセパレータ間に荷重を掛けることができるので、荷重の大きさを規定せずに荷重を掛けることができる。この結果、熱圧着後のセパレータ間の間隔を規定した燃料電池セルを、一定荷重で熱圧着する場合に比べて短時間で作製することが可能となる。この結果、燃料電池セルの量産性および低コスト化が可能となる。 In addition, since the load can be applied between the separators until the dong state is reached during thermocompression bonding, the load can be applied without defining the magnitude of the load. As a result, it becomes possible to produce a fuel cell in which the interval between the separators after thermocompression bonding is defined in a shorter time than when thermocompression bonding is performed with a constant load. As a result, mass productivity and cost reduction of the fuel battery cell can be achieved.
B.第2実施形態:
図5は、第2実施形態として燃料電池セルの概略構成の一部を示す断面模式図である。この燃料電池セル100Bは、図1に示した燃料電池セル100のMEGA20とシール部材40との間の空間に対応する空間APがシール部材40のスキン層42を構成する部材で埋め尽くされている点が異なっている。この構造の燃料電池セル100Bも、以下で説明する点を除いて、図2および図3を用いて説明した第1実施形態の燃料電池セル100と同様に作製される。
B. Second embodiment:
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a part of the schematic configuration of the fuel battery cell as the second embodiment. In the
図6は、図5に示した燃料電池セルの製造上の特徴を示す説明図である。この燃料電池セル100Bを作製する場合には、図6に示すように、用意するシール部材40のスキン層42の厚さYsrが、第1実施形態における2・Ysr>Xd(=Xr−Xs)の関係を満たす第1の条件に加えて、以下の第2の条件に基づいて設定される。すなわち、第2の条件は、スキン層42の厚さYsrが、接着に要するスキン層42の厚さYsの部分を除く厚さ(Ysr−Ys)の部分のうち、セル化時における荷重に応じて流動して、両側のスキン層42からMEGA20とシール部材40との間の空間Apに溢れ出した部材の体積が、空間Apを埋め尽くす(図5参照)ことが可能となるよう厚さであること、が条件とされる。なお、接着に要するスキン層42の厚さYsは第1の条件から要求される厚さYsr(>Xd/2)に比べて非常に小さいため、第2の条件は、スキン層42の厚さYsrが、両側のスキン層42から空間Apに溢れ出した部材の体積が空間Apを埋め尽くすことが可能となるような厚さであること、としても差し支えない。本例では、用意するシール部材40の両側のスキン層42の体積が空間Apの体積よりも大きくなるような厚さに設定されている。なお、いずれか一方のスキン層42の体積が空間APの体積よりも大きくなるような厚さに設定されるようにしてもよい。また、スキン層42からの部材の溢れ出しを空間APのみに規制可能な場合、例えば、外側の側面を遮蔽する手段を設けた場合には、両側のスキン層42の体積(厳密には、両側のスキン層42の接着に要する厚さYs分の体積を除いた体積)が空間APの体積に等しくなるような厚さに設定することも可能である。
FIG. 6 is an explanatory view showing the manufacturing characteristics of the fuel battery cell shown in FIG. When this
以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル100Bは、第1実施形態の燃料電池セル100と同様に、これにより、熱圧着によって圧縮されたMEGAの厚さの変化を、スキン層の厚さを変化させることにより吸収し、熱圧着後のMEGAの厚さ、すなわち、熱圧着後のセパレータ間の間隔を、単純な構造のシール部材によって規定することが可能となる。また、MEGAを構成する部材の寸法公差等の寸法公差をシール部材のスキン層の厚さを変化させることにより吸収して、熱圧着後のセパレータ間の間隔を、単純な構造のシール部材によって規定することが可能となる。
As described above, the
また、熱圧着時において、ドンつき状態となるまでセパレータ間に荷重を掛けていくことができるので、荷重の大きさを規定せずに荷重を掛けることができる。この結果、熱圧着後のセパレータ間の間隔を規定した燃料電池セルを、一定荷重で熱圧着する場合に比べて短時間で作製することが可能となる。この結果、燃料電池セルの量産性および低コスト化が可能となる。 Further, since a load can be applied between the separators until the dong state is reached during thermocompression bonding, the load can be applied without specifying the magnitude of the load. As a result, it becomes possible to produce a fuel cell in which the interval between the separators after thermocompression bonding is defined in a shorter time than when thermocompression bonding is performed with a constant load. As a result, mass productivity and cost reduction of the fuel battery cell can be achieved.
また、MEGA20とシール部材40との間の空間をスキン層42の部材で埋めることができるので、MEGA20の電解質膜10が発電により膨潤・収縮を繰り返すことを規制することができる。この結果、膨潤・収縮による電解質膜10の劣化等のMEGA20の劣化を抑制し、クロスリーク等の特性の劣化を抑制することが可能となる。
Further, since the space between the
C.変形例: C. Variations:
上記実施形態では、シール部材40のコア層41を構成する熱可塑性樹脂41としてポリエチレンを用いている。これに対して、ポリエチレンテレフタラート、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、AS樹脂、ABS樹脂、アクリル樹脂等の種々の熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、上記実施形態では、スキン層42を構成する酸変性熱可塑性樹脂として、アドマーを用いている。これに対して、モディック(登録商標)、ニュクレル(登録商標)、ハイミラン(登録商標)等の酸変性熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、酸変性熱可塑性樹脂ではなく、コア層41の熱硬化性樹脂よりも融点が低く、接着性を有する熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂等のコア層41の熱硬化性樹脂よりも融点が低く、接着性を有する熱可塑性樹脂種々の熱硬化性樹脂を用いてもよい。また、熱可塑性あるいは熱硬化性の種々のエラストマー樹脂を用いてもよい。
In the above embodiment, polyethylene is used as the
上記実施形態では、燃料電池は、固体高分子形燃料電池である。これに対し燃料電池は、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池であってもよい。 In the above embodiment, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, the fuel cell is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, but may be other various types of fuel cells.
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments and the modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…MEA
11…電解質膜
12a…アノード側触媒層
12c…カソード側触媒層
20…MEGA
22…ガス拡散層
22a…アノード側ガス拡散層
22c…カソード側ガス拡散層
33…セパレータ
33a…アノード側セパレータ
33c…カソード側セパレータ
40…シール部材
41…コア層
42…スキン層
100…燃料電池セル
100B…燃料電池セル
Ap…空間
10 ... MEA
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 22 ...
Claims (4)
膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配置されたシール部材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと、
を備え、
前記シール部材は、熱可塑性樹脂で構成されるコア層と、前記コア層の前記一対のセパレータに接する両側の表層に形成され、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着する一対のスキン層と、を備え、
前記一対のセパレータで狭持される前の前記シール部材の厚さは、前記一対のセパレータで狭持される前の前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さよりも大きく、
前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の前記一対のスキン層の合計の厚さは、前記膜電極ガス拡散層接合体が前記一対のセパレータで挟持されたときに発生する前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さの減少量よりも大きい
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode gas diffusion layer assembly;
A seal member disposed on the outer periphery of the membrane electrode gas diffusion layer assembly;
A pair of separators sandwiching the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member;
With
The seal member is formed on a core layer made of a thermoplastic resin, and a pair of skin layers formed on the surface layers on both sides of the core layer in contact with the pair of separators, and bonding the pair of separators to the core layer. With
The thickness of the seal member before being sandwiched by the pair of separators is greater than the thickness of the membrane electrode gas diffusion layer assembly before being sandwiched by the pair of separators,
The total thickness of the pair of skin layers of the seal member before being sandwiched between the pair of separators is generated when the membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between the pair of separators. A fuel cell, characterized in that it is larger than the thickness reduction of the gas diffusion layer assembly.
前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の少なくとも一方のスキン層の体積が、前記一対のセパレータで挟持されたときの前記膜電極ガス拡散層接合体と前記シール部材との間の空間の体積よりも大きいことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The space between the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member when the volume of at least one skin layer of the seal member before being sandwiched between the pair of separators is sandwiched between the pair of separators A fuel cell characterized by being larger than the volume.
(a)膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配置されるシール部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材を挟持する一対のセパレータと、を用意する工程と、
(b)前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材の両側に前記一対のセパレータを配置し、あらかじめ定めた温度で前記一対のセパレータを介して前記膜電極ガス拡散層接合体および前記シール部材に荷重を掛けることにより、前記一対のセパレータと前記膜電極ガス拡散層接合体とを接合させるとともに、前記一対のセパレータと前記シール部材を接着させる工程と、
を備え、
前記シール部材は、熱可塑性樹脂で構成されるコア層と、前記コア層の前記一対のセパレータに接する両側の表層に形成され、前記一対のセパレータと前記コア層とを接着する一対のスキン層と、を備え、
前記一対のセパレータで狭持される前の前記シール部材の厚さは、前記一対のセパレータで狭持される前の前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さよりも大きく、
前記一対のセパレータで挟持される前の前記シール部材の前記一対のスキン層の合計の厚さは、前記膜電極ガス拡散層接合体が前記一対のセパレータで挟持されたときに発生する前記膜電極ガス拡散層接合体の厚さの減少量よりも大きい
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) a membrane electrode gas diffusion layer assembly, a seal member disposed on an outer periphery of the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member And a step of preparing
(B) The pair of separators are arranged on both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member are interposed via the pair of separators at a predetermined temperature. Applying the load to the pair of separators and the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and bonding the pair of separators and the seal member;
With
The seal member is formed on a core layer made of a thermoplastic resin, and a pair of skin layers formed on the surface layers on both sides of the core layer in contact with the pair of separators, and bonding the pair of separators to the core layer. With
The thickness of the seal member before being sandwiched by the pair of separators is greater than the thickness of the membrane electrode gas diffusion layer assembly before being sandwiched by the pair of separators,
The total thickness of the pair of skin layers of the seal member before being sandwiched between the pair of separators is generated when the membrane electrode gas diffusion layer assembly is sandwiched between the pair of separators. A method for producing a fuel cell, characterized in that it is larger than the thickness reduction amount of the gas diffusion layer assembly.
前記工程(b)は、前記温度で軟化した前記シール部材の前記スキン層を前記スキン層に掛けられた荷重によって流動させて、前記一対のセパレータで挟持されるときの前記膜電極ガス拡散層接合体と前記シール部材との間の空間を埋める工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to claim 3,
In the step (b), the membrane electrode gas diffusion layer bonding when the skin layer of the sealing member softened at the temperature is caused to flow by a load applied to the skin layer and is sandwiched between the pair of separators A method of manufacturing a fuel cell, comprising a step of filling a space between a body and the seal member.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2021044940A1 (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-11 | ||
CN114450827A (en) * | 2019-09-26 | 2022-05-06 | 东洋纺株式会社 | Fuel cell assembly and laminate |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07249417A (en) * | 1994-03-10 | 1995-09-26 | Toyota Motor Corp | Unit cell for fuel cell and manufacture thereof |
JP2004349198A (en) * | 2003-05-26 | 2004-12-09 | Mitsubishi Materials Corp | Gas diffusion layer member for fuel cell of solid polymer type, and its manufacturing method |
JP2005135703A (en) * | 2003-10-29 | 2005-05-26 | Mitsubishi Electric Corp | Solid polymer electrolyte fuel cell |
JP2005347255A (en) * | 2004-05-28 | 2005-12-15 | Ei Du Pont Canada Co | Unitized electrochemical battery semi-assembly, and manufacturing method of the same |
JP2006506790A (en) * | 2002-11-15 | 2006-02-23 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | Unitized fuel cell assembly |
JP2006107862A (en) * | 2004-10-04 | 2006-04-20 | Toyota Motor Corp | Sealing structure of fuel cell |
JP2006210060A (en) * | 2005-01-26 | 2006-08-10 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
JP2009009803A (en) * | 2007-06-27 | 2009-01-15 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell and its manufacturing method |
WO2011019093A1 (en) * | 2009-08-12 | 2011-02-17 | ジャパンゴアテックス株式会社 | Method for manufacturing reinforced membrane electrode assembly and reinforced membrane electrode assembly |
US8679697B1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-25 | GM Global Technology Operations LLC | Compressible fuel cell subgasket with integrated seal |
-
2012
- 2012-12-14 JP JP2012272974A patent/JP5867379B2/en active Active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07249417A (en) * | 1994-03-10 | 1995-09-26 | Toyota Motor Corp | Unit cell for fuel cell and manufacture thereof |
JP2006506790A (en) * | 2002-11-15 | 2006-02-23 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | Unitized fuel cell assembly |
JP2004349198A (en) * | 2003-05-26 | 2004-12-09 | Mitsubishi Materials Corp | Gas diffusion layer member for fuel cell of solid polymer type, and its manufacturing method |
JP2005135703A (en) * | 2003-10-29 | 2005-05-26 | Mitsubishi Electric Corp | Solid polymer electrolyte fuel cell |
JP2005347255A (en) * | 2004-05-28 | 2005-12-15 | Ei Du Pont Canada Co | Unitized electrochemical battery semi-assembly, and manufacturing method of the same |
JP2006107862A (en) * | 2004-10-04 | 2006-04-20 | Toyota Motor Corp | Sealing structure of fuel cell |
JP2006210060A (en) * | 2005-01-26 | 2006-08-10 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
JP2009009803A (en) * | 2007-06-27 | 2009-01-15 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell and its manufacturing method |
WO2011019093A1 (en) * | 2009-08-12 | 2011-02-17 | ジャパンゴアテックス株式会社 | Method for manufacturing reinforced membrane electrode assembly and reinforced membrane electrode assembly |
US8679697B1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-25 | GM Global Technology Operations LLC | Compressible fuel cell subgasket with integrated seal |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2021044940A1 (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-11 | ||
WO2021044940A1 (en) | 2019-09-06 | 2021-03-11 | 東洋紡フイルムソリューション株式会社 | Layered product for fuel batteries |
TWI729931B (en) * | 2019-09-06 | 2021-06-01 | 日商東洋紡薄膜解決股份有限公司 | Laminated body for fuel cell |
KR20220039757A (en) | 2019-09-06 | 2022-03-29 | 도요보 가부시키가이샤 | Laminate for fuel cell |
CN114364534A (en) * | 2019-09-06 | 2022-04-15 | 东洋纺株式会社 | Laminate for fuel cell |
EP4026693A4 (en) * | 2019-09-06 | 2022-10-26 | Toyobo Co., Ltd. | Layered product for fuel batteries |
JP7223353B2 (en) | 2019-09-06 | 2023-02-16 | 東洋紡株式会社 | Laminate for fuel cell |
CN114450827A (en) * | 2019-09-26 | 2022-05-06 | 东洋纺株式会社 | Fuel cell assembly and laminate |
CN114450827B (en) * | 2019-09-26 | 2023-12-01 | 东洋纺株式会社 | Joint body for fuel cell and laminate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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