JP2014216110A - Cell structure of fuel cell - Google Patents

Cell structure of fuel cell

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell structure of a fuel cell which reduces possibility of degradation and damage of a membrane electrode assembly.SOLUTION: The cell structure includes: a rectangular electrode body 100 which includes a rectangular membrane electrode assembly and rectangular first and second gas diffusion layers arranged both sides of the membrane electrode assembly; and a seal member 120 having a rectangular opening and covering an outer peripheral portion of a first gas diffusion layer 104c by arranging the first gas diffusion layer 104c on the opening. The electrode body 100 is arranged so that, with respect to the seal member, a distance D1 between a first outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c located on a side of a supply port 114i of a fuel gas and a first inner peripheral end of the seal member 120 is smaller than a distance D2 between a second outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c located on a side of a discharge port 114o of the fuel gas and a second inner peripheral end of the seal member 120.

Description

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

燃料電池は、膜電極接合体とガス拡散層とを備える。燃料電池は、単セルが複数積層されて積層方向の両側から所定の荷重が加えられることで形成される。燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの両極間のクロスリークを抑えるために、電解質膜の外周部に、ガスシール部材(ガスケット)が設けられている。このような燃料電池の一つとして、一方の電極上に配置したガス拡散層が、他方の電極上に配置したガス拡散層および電解質膜よりも小さく形成された燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。また特許文献1の技術では、ガスケットを設けることによって、燃料ガスおよび酸化ガスのクロスリークの抑制を図っている。   The fuel cell includes a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer. A fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells and applying a predetermined load from both sides in the stacking direction. In the fuel cell, a gas seal member (gasket) is provided on the outer periphery of the electrolyte membrane in order to suppress cross leakage between both electrodes of the fuel gas and the oxidizing gas. As one of such fuel cells, there is known a fuel cell in which a gas diffusion layer disposed on one electrode is formed smaller than a gas diffusion layer and an electrolyte membrane disposed on the other electrode (for example, , See Patent Document 1). Moreover, in the technique of patent document 1, suppression of the cross leak of fuel gas and oxidizing gas is aimed at by providing a gasket.

特開2007−066766号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-066766

ガスケットを、小さい方のガス拡散層の外周に接するように設ける場合には、例えばガス拡散層やガスケットの形成の精度等に起因して、小さい方のガス拡散層の外周とガスケットとの間に隙間が生じる場合があった。   When the gasket is provided so as to be in contact with the outer periphery of the smaller gas diffusion layer, the gap between the outer periphery of the smaller gas diffusion layer and the gasket is caused by, for example, the accuracy of formation of the gas diffusion layer or the gasket. There was a case where a gap occurred.

ガス拡散層の外周とガスケットとの間に隙間が存在すると、この隙間において、膜電極接合体が露出する。固体高分子形燃料電池では、例えば燃料電池が発電と停止を繰り返すことにより、膜電極接合体が湿潤状態と乾燥状態との間で状態変化を引き起こす。ここで、膜電極接合体のうち露出した部分(露出部分)には、燃料電池の両側から所定の荷重を加えた場合でも、十分な外力が加わらない。よって、膜電極接合体が湿潤状態になった場合に、露出部分が膨らむことで大きく変形して座屈が生じる可能性がある。また、膜電極接合体が乾燥状態となった場合は、露出部分は収縮して亀裂が生じる可能性がある。このように、膜電極接合体の変形が繰り返されることで、膜電極接合体に劣化や損傷が生じる可能性があった。   If a gap exists between the outer periphery of the gas diffusion layer and the gasket, the membrane electrode assembly is exposed in this gap. In a polymer electrolyte fuel cell, for example, when the fuel cell repeats power generation and stoppage, the membrane electrode assembly causes a state change between a wet state and a dry state. Here, sufficient external force is not applied to the exposed portion (exposed portion) of the membrane electrode assembly even when a predetermined load is applied from both sides of the fuel cell. Therefore, when the membrane electrode assembly is in a wet state, there is a possibility that the exposed portion swells and deforms greatly to cause buckling. In addition, when the membrane / electrode assembly is in a dry state, the exposed portion may contract and crack. As described above, the membrane electrode assembly may be deteriorated or damaged by repeated deformation of the membrane electrode assembly.

ここで、上記隙間に樹脂を充填することで、湿潤状態における膜電極接合体の膨らみを抑制できる場合がある。図15は、隙間に樹脂を充填した単セルの構造の一例を示す概略断面図である。この単セル10Rは、膜電極接合体(Menmrane Electrode Assembly,MEA)101のカソード103c上に配置した第1のガス拡散層104cが、膜電極接合体101のアノード103a上に配置した第2のガス拡散層104aおよび膜電極接合体101の電解質膜102よりも小さく形成されている。なお、第1のガス拡散層104cのカソード103cに接する側の面には第1の撥水層105cが形成されており、第2のガス拡散層104aのアノード103aに接する側の面には第2の撥水層105aが形成されている。   Here, by filling the gap with the resin, the swelling of the membrane electrode assembly in a wet state may be suppressed in some cases. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a single cell in which a gap is filled with resin. The single cell 10R includes a second gas in which a first gas diffusion layer 104c disposed on a cathode 103c of a membrane electrode assembly (MEA) 101 is disposed on an anode 103a of the membrane electrode assembly 101. The diffusion layer 104 a and the membrane electrode assembly 101 are formed smaller than the electrolyte membrane 102. A first water repellent layer 105c is formed on the surface of the first gas diffusion layer 104c on the side in contact with the cathode 103c, and the surface of the second gas diffusion layer 104a on the side in contact with the anode 103a is on the first surface. Two water-repellent layers 105a are formed.

単セル10Rは、第1のガス拡散層104cの外周には、第1のセパレータ110cおよび第2のセパレータ110aの間で挟持されるように、シール部材120が形成されている。さらに、単セル10Rは、シール部材120と第1のガス拡散層104cとの間に生じた隙間に、充填材130として樹脂が充填されており、湿潤状態における膜電極接合体101の膨らみが抑制される。   In the single cell 10R, a seal member 120 is formed on the outer periphery of the first gas diffusion layer 104c so as to be sandwiched between the first separator 110c and the second separator 110a. Further, the single cell 10R is filled with a resin as the filler 130 in the gap formed between the seal member 120 and the first gas diffusion layer 104c, and the swelling of the membrane electrode assembly 101 in a wet state is suppressed. Is done.

しかしながら、充填材130の充填量が少なく、充填材130によって形成される層(以下、「充填材層」とも呼ぶ)の厚みが薄くなった場合において、以下の問題が発生する可能性がある。   However, when the filling amount of the filler 130 is small and the thickness of the layer formed by the filler 130 (hereinafter also referred to as “filler layer”) becomes thin, the following problem may occur.

充填材層の厚みが薄くなった場合、複数の単セル10Rを積層して組み付けるときに、積層方向両側から加えた荷重が、膜電極接合体101のうち充填材130と重なる部分(対応MEA部分)には十分に加わらない可能性がある。この場合には、電解質膜20の膨潤を抑えることが不十分となるので、膜電極接合体101が座屈して膜電極接合体が劣化または損傷する可能性があった。   When the thickness of the filler layer is reduced, when the plurality of single cells 10R are stacked and assembled, the part of the membrane electrode assembly 101 where the load overlaps with the filler 130 (corresponding MEA part) ) May not be enough. In this case, since it becomes insufficient to suppress the swelling of the electrolyte membrane 20, the membrane electrode assembly 101 may buckle and the membrane electrode assembly may be deteriorated or damaged.

また、カソード103c側の酸化ガスの圧力に対してアノード103a側の燃料ガスの圧力が大きく、アノード103aとカソード103cとの間の電極間のガス差圧が大きい箇所に上記隙間が存在する場合には、この電極間のガスの差圧(以下、「極間差圧」とも呼ぶ)によって膜電極接合体101に対して応力が発生する。この結果、膜電極接合体101の隙間の部分では、発生した応力に応じた機械的な変形が発生しやすくなる。充填材130が隙間に十分に充填されている場合には、膜電極接合体101に発生した応力を、形成された充填材層から加わる荷重によって抑制することにより、膜電極接合体10の変形を十分に抑制することが可能である。しかしながら、充填材130の充填量が少なくなった場合には、形成された充填材層から加わる荷重では、膜電極接合体101に発生した応力を抑制することができず、膜電極接合体101の変形を十分に抑制できない可能性があるからである。なお、極間差圧は、燃料ガスの圧力の方が酸化ガスの圧力よりも高く、通常、単セルへの燃料ガスの導入部側(入口側)において大きくなるので、燃料ガスの導入部側に存在する隙間への充填材の充填量が少なくなった場合には、膜電極接合体の変形が発生しやすくなる。このように、隙間に充填材を充填した場合でも、極間差圧によって膜電極接合体が劣化又は損傷する可能性があった。   Further, when the pressure of the fuel gas on the anode 103a side is larger than the pressure of the oxidizing gas on the cathode 103c side, and the gap exists in a place where the gas differential pressure between the electrodes between the anode 103a and the cathode 103c is large. In this case, a stress is generated on the membrane electrode assembly 101 by the differential pressure of gas between the electrodes (hereinafter also referred to as “inter-electrode differential pressure”). As a result, mechanical deformation corresponding to the generated stress is likely to occur in the gap portion of the membrane electrode assembly 101. When the filler 130 is sufficiently filled in the gap, the stress generated in the membrane electrode assembly 101 is suppressed by the load applied from the formed filler layer, thereby deforming the membrane electrode assembly 10. It can be sufficiently suppressed. However, when the filling amount of the filler 130 decreases, the stress applied to the membrane electrode assembly 101 cannot be suppressed by the load applied from the formed filler layer. This is because the deformation may not be sufficiently suppressed. Note that the pressure difference between the electrodes is higher at the fuel gas pressure than the oxidizing gas pressure and is usually larger at the fuel gas introduction side (inlet side) to the single cell. When the filling amount of the filling material into the gap existing in is reduced, the membrane electrode assembly is likely to be deformed. As described above, even when the gap is filled with the filler, the membrane electrode assembly may be deteriorated or damaged due to the differential pressure between the electrodes.

膜電極接合体の劣化や損傷は、燃料ガスおよび酸化ガスのクロスリークを引き起こし得るため望ましくない。よって、膜電極接合体が湿潤状態と乾燥状態との間で状態変化しても、また、隙間への充填材の充填量が少なかった場合においても、膜電極接合体の劣化や損傷を抑制する技術が望まれていた。また、燃料電池においては、部品点数を抑制することや、製造工程を簡素化することや、製造コストを低減すること等が望まれていた。   Deterioration or damage of the membrane electrode assembly is undesirable because it can cause cross leak of fuel gas and oxidizing gas. Therefore, even when the state of the membrane electrode assembly changes between a wet state and a dry state, and even when the filling amount of the filler in the gap is small, the deterioration and damage of the membrane electrode assembly is suppressed. Technology was desired. Further, in the fuel cell, it has been desired to suppress the number of parts, simplify the manufacturing process, reduce the manufacturing cost, and the like.

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、燃料電池のセル構造が提供される。このセル構造は、矩形状の膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された矩形状の第1と第2のガス拡散層と、を備える矩形状の電極体であって、前記第1のガス拡散層は、前記第2のガス拡散層よりも面積が小さく、前記第1のガス拡散層の外周部は、前記膜電極接合体の外周部および前記第2のガス拡散層の外周部よりも内側に位置する、電極体と;矩形状の開口部を有するシール部材であって、前記開口部に前記第1のガス拡散層を配置することにより前記第1のガス拡散層の外周部を覆うシール部材と;前記第1のガス拡散層の外周端部と前記シール部材の内周端部との間に充填された充填材と;前記シール部材の面上と前記第1のガス拡散層の面上に配置され、前記第1のガス拡散層の面に沿って酸化ガスを流す溝状の酸化ガス流路を有する第1のセパレータと;前記シール部材の面上と前記第2のガス拡散層の面上に配置され、前記第2のガス拡散層の面に沿って燃料ガスを流す溝状の燃料ガス流路を有する第2のセパレータと;前記電極体の第1の辺の外周側にあり、前記燃料ガス流路に外部から前記燃料ガスを供給するための前記燃料ガスの供給口と;前記第1の辺に対向する第2の辺の外周側にあり、前記燃料ガス流路から外部へ前記燃料ガスを排出するための前記燃料ガスの排出口と;を備える。前記電極体は、前記燃料ガスの供給口側に位置する前記第1のガス拡散層の第1の外周端部と前記シール部材の第1の内周端部との間の間隔が、前記燃料ガスの排出口側に位置する前記第1のガス拡散層の第2の外周端部と前記シール部材の第2の内周端部との間の間隔よりも小さくなるように、配置されている。この形態のセル構造によれば、燃料ガスの供給口側における第1のガス拡散層とシール部材との間の隙間に位置する膜電極接合体に加わる応力を低減することができる。これにより、膜電極接合体が変形する可能性を低減でき、膜電極接合体が劣化または損傷する可能性を低減できる。 (1) According to one form of this invention, the cell structure of a fuel cell is provided. This cell structure is a rectangular electrode body comprising a rectangular membrane electrode assembly, and rectangular first and second gas diffusion layers disposed on both sides of the membrane electrode assembly, The first gas diffusion layer has a smaller area than the second gas diffusion layer, and the outer periphery of the first gas diffusion layer includes the outer periphery of the membrane electrode assembly and the second gas diffusion layer. An electrode body positioned inside the outer peripheral portion of the first gas diffusion layer; a sealing member having a rectangular opening, wherein the first gas diffusion layer is disposed in the opening by disposing the first gas diffusion layer A seal member covering the outer peripheral portion of the first gas diffusion layer; a filler filled between an outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer and an inner peripheral end portion of the seal member; on the surface of the seal member and the first A groove-like acid which is disposed on the surface of the gas diffusion layer and allows an oxidizing gas to flow along the surface of the first gas diffusion layer A first separator having a gas flow path; a groove shape disposed on the surface of the seal member and on the surface of the second gas diffusion layer and for allowing fuel gas to flow along the surface of the second gas diffusion layer A second separator having a fuel gas flow path; and on the outer peripheral side of the first side of the electrode body, the fuel gas supply port for supplying the fuel gas from the outside to the fuel gas flow path; A fuel gas exhaust port for exhausting the fuel gas from the fuel gas flow path to the outside, on the outer peripheral side of the second side facing the first side. The electrode body has an interval between the first outer peripheral end of the first gas diffusion layer located on the fuel gas supply port side and the first inner peripheral end of the seal member. It arrange | positions so that it may become smaller than the space | interval between the 2nd outer peripheral edge part of the said 1st gas diffusion layer located in the gas discharge port side, and the 2nd inner peripheral edge part of the said sealing member. . According to the cell structure of this embodiment, it is possible to reduce the stress applied to the membrane electrode assembly located in the gap between the first gas diffusion layer and the seal member on the fuel gas supply port side. Thereby, the possibility that the membrane electrode assembly is deformed can be reduced, and the possibility that the membrane electrode assembly is deteriorated or damaged can be reduced.

(2)上記形態のセル構造において、さらに、前記電極体の前記第1の辺に垂直な第3の辺の外周側にあり、前記酸化ガス流路に外部から前記酸化ガスを供給するための前記酸化ガスの供給口と;前記第3の辺に対向する第4の辺の外周側に配置され、前記酸化ガス流路から外部へ前記酸化ガスを排出するための前記酸化ガスの排出口と;を備え、前記電極体は、前記酸化ガスの排出口側に位置する前記第1のガス拡散層の第3の外周端部と前記シール部材の第3の内周端部との間の間隔が、前記酸化ガスの供給口側に位置する前記第4のガス拡散層の第4の外周端部と前記シール部材の第4の内周端部との間の間隔よりも大きくなるように、配置されていても良い。この形態のセル構造によれば、燃料ガスの供給口側において、燃料ガスの圧力と酸化ガスの圧力との圧力差を低減することができるので、第1のガス拡散層とシール部材との間の隙間に位置する膜電極接合体に加わる応力をより効果的に低減することができる。これにより、膜電極接合体が変形する可能性を低減でき、膜電極接合体が劣化又は損傷する可能性を低減できる。 (2) In the cell structure of the above aspect, the cell body is further provided on the outer peripheral side of a third side perpendicular to the first side of the electrode body, and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas channel from the outside. A supply port for the oxidizing gas; and an exhaust port for the oxidizing gas, which is disposed on the outer peripheral side of the fourth side facing the third side, and discharges the oxidizing gas from the oxidizing gas flow path to the outside. A distance between a third outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer and a third inner peripheral end portion of the seal member, the electrode body being located on the discharge port side of the oxidizing gas. Is larger than the interval between the fourth outer peripheral end of the fourth gas diffusion layer located on the supply port side of the oxidizing gas and the fourth inner peripheral end of the seal member, It may be arranged. According to the cell structure of this embodiment, since the pressure difference between the pressure of the fuel gas and the pressure of the oxidizing gas can be reduced on the fuel gas supply port side, the gap between the first gas diffusion layer and the seal member can be reduced. It is possible to more effectively reduce the stress applied to the membrane electrode assembly located in the gap. Thereby, the possibility that the membrane electrode assembly is deformed can be reduced, and the possibility that the membrane electrode assembly is deteriorated or damaged can be reduced.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池のセル構造、燃料電池、燃料電池を搭載した車両等の形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a cell structure of a fuel cell, a fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell, and the like.

一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system in one Embodiment. 単セルの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of a single cell. 図2(c)に示した単セルの概略断面の周縁部のうちの領域A1の部分を拡大して示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands and shows the part of area | region A1 among the peripheral parts of the schematic cross section of the single cell shown in FIG.2 (c). 図2(c)に示した単セルの概略断面の周縁部のうちの領域A2の部分を拡大して示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands and shows the part of area | region A2 among the peripheral parts of the schematic cross section of the single cell shown in FIG.2 (c). 燃料電池の製造方法の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of the manufacturing method of a fuel cell. サンプル#1におけるシール部材と第1のガス拡散層との配置関係を示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement | positioning relationship between the sealing member and the 1st gas diffusion layer in sample # 1. サンプル#2におけるシール部材と第1のガス拡散層との配置関係を示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement | positioning relationship between the sealing member and the 1st gas diffusion layer in sample # 2. サンプル#3におけるシール部材と第1のガス拡散層との配置関係を示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement | positioning relationship between the sealing member in sample # 3, and a 1st gas diffusion layer. サンプル#4におけるシール部材と第1のガス拡散層との配置関係を示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement | positioning relationship between the sealing member in sample # 4, and a 1st gas diffusion layer. 各サンプルにおける隙間をまとめた表である。It is the table | surface which put together the clearance gap in each sample. 各サンプルのa部およびc部において想定される引張応力を示す表である。It is a table | surface which shows the tensile stress assumed in the a part and c part of each sample. 膜電極接合体の変形のモデルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the model of a deformation | transformation of a membrane electrode assembly. a部の極間差圧およびc部の極間差圧をパラメータとしそれぞれにおける隙間と引張応力σとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the clearance gap and the tensile stress (sigma) in each using the inter-electrode differential pressure of a part and the inter-electrode differential pressure of c part as parameters. 図13に基づいてa部およびc部における隙間と極間差圧Δpと引張応力σとの関係をまとめた表である。It is the table | surface which put together the relationship between the clearance gap in a part and c part, the interpolar pressure difference (DELTA) p, and the tensile stress (sigma) based on FIG. 隙間に樹脂を充填した単セルの構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the structure of the single cell which filled the clearance gap with resin.

A1:燃料電池の構成:
図1は、一実施形態における燃料電池システム5の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム5は、燃料電池200と、水素タンク50と、エアコンプレッサ40と、制御部26と、を備える。水素タンク50は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する。エアコンプレッサ40は、酸化ガスとしての圧縮空気を燃料電池200に供給する。制御部26は、燃料電池システム5全体の制御を行う。
A1: Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 5 according to an embodiment. The fuel cell system 5 includes a fuel cell 200, a hydrogen tank 50, an air compressor 40, and a control unit 26. The hydrogen tank 50 stores hydrogen as fuel gas. The air compressor 40 supplies compressed air as an oxidizing gas to the fuel cell 200. The control unit 26 controls the entire fuel cell system 5.

燃料電池200は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池200の構造は、複数の単セル10を積層したスタック構造である。燃料電池200は、複数の単セル10の他に、エンドプレート21と、絶縁板22と、集電板23と、を備える。積層方向(Z軸方向)の両側には、それぞれ集電板23、絶縁板22およびエンドプレート21が、単セル10側から外側に向かってこの順に配置されている。2枚のエンドプレート21の間は、テンションロッド24及びナット25により、所定の締結力(荷重)で締結されている。これにより、各単セル10には、所定の力が積層方向の両側から加えられる。ナット25の少なくとも一方には、ナット25を回転させて締結力を調製するための駆動部27が設けられている。   The fuel cell 200 is a polymer electrolyte fuel cell. The structure of the fuel cell 200 is a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked. The fuel cell 200 includes an end plate 21, an insulating plate 22, and a current collector plate 23 in addition to the plurality of single cells 10. On both sides in the stacking direction (Z-axis direction), current collector plate 23, insulating plate 22 and end plate 21 are arranged in this order from the single cell 10 side toward the outside. The two end plates 21 are fastened with a predetermined fastening force (load) by a tension rod 24 and a nut 25. Thereby, a predetermined force is applied to each single cell 10 from both sides in the stacking direction. At least one of the nuts 25 is provided with a drive unit 27 for adjusting the fastening force by rotating the nut 25.

単セル10はそれぞれ、燃料ガス(水素)と酸化ガス(空気に含まれる酸素)との電気化学反応により発電を行う。水素タンク50に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、減圧弁51によって減圧された後に水素ガス供給路53を流通する。流通する水素は、水素ガス供給路53に設けられた圧力調整弁52によって所定の圧力に調整されて、燃料電池200に供給される。燃料電池200に供給された水素を含有するガス(アノード供給ガス)は、燃料電池200の内部に形成されるアノードガス供給マニホールド(図示せず)を介して各単セル10に供給され、各単セル10における発電に利用される。各単セル10において利用されなかった水素を含有するガス(アノード排ガス)は、燃料電池200の内部に形成されるアノードガス排出マニホールド(図示せず)を介して集約される。そして、アノード排ガスは、アノード排ガス路54を介して燃料電池200の外部に排出される。なお、燃料電池システム5は、アノード排ガスを供給側に再循環させる構成を有しても良い。   Each single cell 10 generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen contained in air). Hydrogen as fuel gas stored in the hydrogen tank 50 flows through the hydrogen gas supply path 53 after being decompressed by the decompression valve 51. The flowing hydrogen is adjusted to a predetermined pressure by a pressure adjusting valve 52 provided in the hydrogen gas supply path 53 and supplied to the fuel cell 200. A gas containing hydrogen (anode supply gas) supplied to the fuel cell 200 is supplied to each single cell 10 via an anode gas supply manifold (not shown) formed inside the fuel cell 200, and It is used for power generation in the cell 10. Gas (anode exhaust gas) containing hydrogen that has not been used in each single cell 10 is collected through an anode gas discharge manifold (not shown) formed inside the fuel cell 200. Then, the anode exhaust gas is discharged outside the fuel cell 200 through the anode exhaust gas passage 54. The fuel cell system 5 may have a configuration in which anode exhaust gas is recirculated to the supply side.

エアコンプレッサ40によって加圧された空気は、酸化ガス供給路41を介して燃料電池200に供給される。燃料電池200に供給された酸素を含む空気(カソード供給ガス)は、カソードガス供給マニホールド(図示せず)を介して各単セル10に供給され、各単セル10における発電に利用される。各単セル10において利用されなかった空気(カソード排ガス)は、カソードガス排出マニホールド(図示せず)を介して集約され、カソード排ガス路48を介して燃料電池200の外部に排出される。   The air pressurized by the air compressor 40 is supplied to the fuel cell 200 via the oxidizing gas supply path 41. Air containing oxygen (cathode supply gas) supplied to the fuel cell 200 is supplied to each single cell 10 via a cathode gas supply manifold (not shown), and is used for power generation in each single cell 10. Air (cathode exhaust gas) that has not been used in each single cell 10 is collected via a cathode gas exhaust manifold (not shown) and exhausted to the outside of the fuel cell 200 via a cathode exhaust gas channel 48.

冷媒循環ポンプ46は、冷媒循環流路47を介して、燃料電池200に冷媒を供給する。燃料電池200で暖められた冷却媒体は、ラジエータ45で冷却され、再び燃料電池200に供給される。冷却媒体は、冷媒供給マニホールド(図示せず)を介して各単セル10に供給され、各単セル10を冷却する。各単セル10を通過した後の冷却媒体は、冷媒排出マニホールド(図示せず)を介して集約され、冷媒循環流路43を介してラジエータ45に流通する。冷却媒体としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などの不凍水を用いることができる。本実施形態では、冷却媒体として液体を用いているが、冷却媒体として空気を用いる構成であってもよい。   The refrigerant circulation pump 46 supplies the refrigerant to the fuel cell 200 via the refrigerant circulation channel 47. The coolant heated by the fuel cell 200 is cooled by the radiator 45 and supplied to the fuel cell 200 again. The cooling medium is supplied to each single cell 10 via a refrigerant supply manifold (not shown), and cools each single cell 10. The cooling medium after passing through each single cell 10 is collected via a refrigerant discharge manifold (not shown) and circulates to the radiator 45 via the refrigerant circulation passage 43. As the cooling medium, water or non-freezing water such as a mixed solution of water and ethylene glycol can be used. In this embodiment, liquid is used as the cooling medium, but air may be used as the cooling medium.

制御部26は、図示しないCPUやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部26は、燃料電池システム5の各部に配された温度センサや圧力センサ、電圧計等からの信号を受信し、受信した信号に基づき燃料電池システム5全体の制御を行う。   The control unit 26 is a computer that includes a CPU, a memory, and the like (not shown). The control unit 26 receives signals from temperature sensors, pressure sensors, voltmeters, and the like arranged in each unit of the fuel cell system 5 and controls the entire fuel cell system 5 based on the received signals.

図2は、単セル10の概略構成を示す説明図である。図2のうち、図2(a)は単セル10をカソード側から見た概略平面を示し、図2(b)は単セル10の内部をカソード側から透視して見た概略平面を示し、図2(c)は、図2(a)に示したA−A矢視概略断面を示している。図3は、図2(c)に示した単セル10の概略断面の周縁部のうちの領域A1の部分を拡大して示す概略断面図である。図4は、図2(c)に示した単セル10の概略断面の周縁部のうちの領域A2の部分を拡大して示す概略断面図である。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the single cell 10. 2A shows a schematic plan view of the single cell 10 viewed from the cathode side, and FIG. 2B shows a schematic plan view of the inside of the single cell 10 viewed from the cathode side. FIG.2 (c) has shown the schematic AA arrow cross section shown to Fig.2 (a). FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a region A1 in the peripheral edge of the schematic cross section of the single cell 10 shown in FIG. FIG. 4 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a region A2 in the peripheral edge of the schematic cross section of the single cell 10 shown in FIG.

図2に示すように、単セル10は、電極体100と、電極体100の両面を挟むように配置された第1および第2のセパレータ110c,110aと、を備える。また、単セル10は、電極体100の外周を覆うように配置されたシール部材120を備える。   As shown in FIG. 2, the single cell 10 includes an electrode body 100 and first and second separators 110 c and 110 a disposed so as to sandwich both surfaces of the electrode body 100. The single cell 10 includes a seal member 120 disposed so as to cover the outer periphery of the electrode body 100.

電極体100は、図2(c),図3,図4に示すように、膜電極接合体(MEA)101と、第1のガス拡散層104cと、第2のガス拡散層104aと、を備える。膜電電極接合体101は、電解質膜102と、電解質膜の両面に配置されたカソード103cおよびアノード103aと、を備える。電解質膜102は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態において良好な電気伝導性を示す。カソード103cとアノード103aとはそれぞれ、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、カソード103cとアノード103aは、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜102を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を備えている。図2〜図4において、符号の末尾に「c」が付された部材はカソード103c側の部材であり、「a」が付された部材はアノード103a側の部材である。   The electrode assembly 100 includes a membrane electrode assembly (MEA) 101, a first gas diffusion layer 104c, and a second gas diffusion layer 104a, as shown in FIGS. Prepare. The membrane electrode assembly 101 includes an electrolyte membrane 102 and a cathode 103c and an anode 103a disposed on both surfaces of the electrolyte membrane. The electrolyte membrane 102 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin including perfluorocarbon sulfonic acid, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. Each of the cathode 103c and the anode 103a includes, for example, platinum or a platinum alloy as a catalyst. More specifically, the cathode 103 c and the anode 103 a include carbon particles supporting the catalyst and an electrolyte similar to the polymer electrolyte that constitutes the electrolyte membrane 102. 2 to 4, members with “c” at the end of the reference numerals are members on the cathode 103 c side, and members with “a” are members on the anode 103 a side.

第1のガス拡散層104cと第2のガス拡散層104aとは、膜電極接合体101を両側から挟むように配置されている。第1のガス拡散層104cのカソード103cに接する面には、第1の撥水層105cが設けられている。また、第2のガス拡散層104aのアノード103aに接する面には、第2の撥水層105aが設けられている。   The first gas diffusion layer 104c and the second gas diffusion layer 104a are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly 101 from both sides. A first water repellent layer 105c is provided on the surface of the first gas diffusion layer 104c that contacts the cathode 103c. A second water repellent layer 105a is provided on the surface of the second gas diffusion layer 104a that is in contact with the anode 103a.

第1と第2のガス拡散層104c,104aは、ガス透過性を有する導電性部材によって形成される。導電性部材としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、金属メッシュ、発泡金属等がある。また、第1と第2のガス拡散層104c,104aは、いずれも、平坦な板状部材として形成されている。第1と第2のガス拡散層104c,104aを設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、第1と第2のセパレータ110c,110aと電極との間の集電性を高めることができる。また、第1と第2のガス拡散層104c,104aによって、電解質膜102を保護することができる。   The first and second gas diffusion layers 104c and 104a are formed of a conductive member having gas permeability. Examples of the conductive member include carbon paper, carbon cloth, metal mesh, and foam metal. The first and second gas diffusion layers 104c and 104a are both formed as flat plate members. By providing the first and second gas diffusion layers 104c and 104a, it is possible to improve the gas supply efficiency to the electrode and to improve the current collecting property between the first and second separators 110c and 110a and the electrode. it can. Further, the electrolyte membrane 102 can be protected by the first and second gas diffusion layers 104c and 104a.

第1と第2の撥水層105c,105aは、カーボン粒子と、フッ素樹脂などの撥水性物質とを備えている。このような第1と第2の撥水層105c,105aは、カーボン粒子と撥水性物質とを含有する混合液である撥水インクを、第1と第2のガス拡散層104c,104aを構成する導電性部材の表面に塗布し、乾燥・焼成を行なうことによって形成される。第1と第2の撥水層105c,105aは、膜電極接合体101からガス拡散層104c,104aに移動しようとする液水を膜電極接合体101側に押し戻す。液水を押し戻すことによって電解質膜102が水分不足となることを抑制できる。また、液水をはじくことによって、第1と第2のガス拡散層104c,104aに備えられる細孔が液水によって閉塞されることを抑制できる。   The first and second water-repellent layers 105c and 105a include carbon particles and a water-repellent substance such as a fluororesin. Such first and second water-repellent layers 105c and 105a constitute water-repellent ink that is a mixed liquid containing carbon particles and a water-repellent substance, and constitute the first and second gas diffusion layers 104c and 104a. It is formed by applying to the surface of the conductive member to be dried, drying and firing. The first and second water repellent layers 105c and 105a push back the liquid water to be moved from the membrane electrode assembly 101 to the gas diffusion layers 104c and 104a to the membrane electrode assembly 101 side. It is possible to suppress the electrolyte membrane 102 from being deficient in water by pushing back the liquid water. Further, by repelling the liquid water, it is possible to prevent the pores provided in the first and second gas diffusion layers 104c and 104a from being blocked by the liquid water.

図2(b),図3,図4に示すように、本実施形態では、第1のガス拡散層104cと第2のガス拡散層104aとは、その大きさ(面積)が異なっている。本実施形態では、第1のガス拡散層104cは第2のガス拡散層104aよりも面積が小さい。また、図2(b)に示すように、膜電極接合体101の面内方向(平面方向)において、第1のガス拡散層104cの外周端部(外周縁)は、膜電極接合体101の外周端部および第2のガス拡散層104aの外周端部(破線枠で示す)よりも内側(中央側)に位置する。   As shown in FIGS. 2B, 3 and 4, in the present embodiment, the first gas diffusion layer 104c and the second gas diffusion layer 104a have different sizes (areas). In the present embodiment, the area of the first gas diffusion layer 104c is smaller than that of the second gas diffusion layer 104a. In addition, as shown in FIG. 2B, the outer peripheral end (outer peripheral edge) of the first gas diffusion layer 104 c is in the in-plane direction (plane direction) of the membrane electrode assembly 101. It is located on the inner side (center side) of the outer peripheral end and the outer peripheral end of the second gas diffusion layer 104a (indicated by a broken line frame).

図2(c),図3,図4に示すように、第1と第2のセパレータ110c,110aは、電極体100およびシール部材120を両側から挟むように配置されている。第1と第2のセパレータ110c,110aは、ガス不透過な導電性部材によって形成される。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材がある。第1と第2のセパレータ110c,110aの外形は、図2(a)に示すように、矩形状である。第1と第2のセパレータ110c,110aのうち、触媒電極層(カソード82あるいはアノード86)と対向する面には、図3,図4に示すように、反応ガスが流れる流路溝116c,116aを形成する凹凸形状が形成されている。流路溝116cは、第1のガス拡散層106cに対し、酸化ガスを流通させる酸化ガス流路を形成する。また、流路溝116aは、第2のガス拡散層106aに対し、燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を形成する。以下では、流路溝116cを「酸化ガス流路116c」とも呼び、流路溝116aを「燃料ガス流路116a」とも呼ぶ   As shown in FIGS. 2C, 3, and 4, the first and second separators 110 c and 110 a are arranged so as to sandwich the electrode body 100 and the seal member 120 from both sides. The first and second separators 110c and 110a are formed of a gas impermeable conductive member. Examples of the conductive member include a carbon member such as dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon, and a metal member such as press-formed stainless steel. As shown in FIG. 2A, the outer shape of the first and second separators 110c and 110a is rectangular. Of the first and second separators 110c and 110a, on the surface facing the catalyst electrode layer (cathode 82 or anode 86), as shown in FIGS. 3 and 4, flow channel grooves 116c and 116a through which reaction gas flows are provided. A concavo-convex shape for forming is formed. The channel groove 116c forms an oxidizing gas channel for allowing the oxidizing gas to flow through the first gas diffusion layer 106c. The channel groove 116a forms a fuel gas channel through which the fuel gas flows with respect to the second gas diffusion layer 106a. Hereinafter, the channel groove 116c is also referred to as “oxidizing gas channel 116c”, and the channel groove 116a is also referred to as “fuel gas channel 116a”.

シール部材120は、シート状であり、合成樹脂(例えば、ポリオレフィン)によって形成される。ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンやポリエチレンを用いることができる。シール部材120の厚みは、第1と第2のガス拡散層104c,104aの形状や第1と第2のセパレータ110c,110aの形状等によって適宜定めることができる。例えば、シール部材120の厚みは、100〜300μm程度である。シール部材120は、図3,図4に示すように、膜電極接合体101の外周部のうち第1のガス拡散層104cが配置された側の面上に貼り付けられている。シール部材120の外形は、図2(b)に示すように、矩形状である。また、シール部材120の中央には、第1のガス拡散層104cを収納する空間(開口部)が形成されている。シール部材120は、酸化ガス流路をシールする。   The seal member 120 has a sheet shape and is formed of a synthetic resin (for example, polyolefin). Polypropylene or polyethylene can be used as the polyolefin. The thickness of the seal member 120 can be appropriately determined depending on the shape of the first and second gas diffusion layers 104c and 104a, the shape of the first and second separators 110c and 110a, and the like. For example, the thickness of the seal member 120 is about 100 to 300 μm. As shown in FIGS. 3 and 4, the seal member 120 is attached to the surface of the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly 101 on the side where the first gas diffusion layer 104 c is disposed. The outer shape of the seal member 120 is rectangular as shown in FIG. In addition, a space (opening) for accommodating the first gas diffusion layer 104c is formed in the center of the seal member 120. The seal member 120 seals the oxidizing gas flow path.

図3,図4に示すように、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120との間の隙間を塞ぐように、充填材130が上記隙間で露出する膜電極接合体101上に設けられている。また、充填材130は、シール部材120と膜電極接合体101との間に配置され、シール部材120を膜電極接合体101に取り付けるために用いられる。充填材130は、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどの熱硬化性樹脂を含む。   As shown in FIGS. 3 and 4, on the membrane electrode assembly 101 where the filler 130 is exposed in the gap so as to close the gap between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the seal member 120. Is provided. The filler 130 is disposed between the seal member 120 and the membrane electrode assembly 101 and is used for attaching the seal member 120 to the membrane electrode assembly 101. The filler 130 includes a thermosetting resin such as polyisobutylene, epoxy, or urethane.

図2(a),図2(b)に示すように、第1のセパレータ110cとシール部材120と第2のセパレータ110aとには、上記した燃料電池200の内部に形成される各種マニホールドを構成するための複数の貫通孔が以下で説明するように形成されている。なお、第2のセパレータ110aの平面図は省略されているが、第2のセパレータ110aに形成されている複数の貫通孔の位置と形状は、第1のセパレータ110aと同様である。   As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the first separator 110c, the seal member 120, and the second separator 110a constitute various manifolds formed inside the fuel cell 200 described above. A plurality of through holes are formed as described below. Although the plan view of the second separator 110a is omitted, the positions and shapes of the plurality of through holes formed in the second separator 110a are the same as those of the first separator 110a.

第1と第2のセパレータ110c,110aには、図2(a)に示すように、カソードガス供給マニホールドを構成する複数のカソードガス導入用貫通孔112iが一方の長辺(図の下辺)に沿って形成されており、カソードガス排出マニホールドを構成する複数のカソードガス排出用貫通孔112oが他方の長辺(図の上辺)に沿って形成されている。従って、カソードガス供給用貫通孔112iが設けられている側が酸化ガス(空気)の入口側であり、カソードガス排出用貫通孔112oが設けられている側が酸化ガスの出口側となる。また、第1のセパレータ110cには、アノードガス供給マニホールドを構成する複数のアノードガス導入用貫通孔114iが一方の短辺(図の左辺)に沿って形成されており、アノードガス排出マニホールドを構成する複数のアノードガス排出用貫通孔114oが他方の短辺(図の右辺)に沿って形成されている。従って、アノードガス供給用貫通孔114iが設けられている側の燃料ガス(水素)の入口側であり、アノードガス排出用貫通孔114oが設けられている側が燃料ガスの出口側となる。   In the first and second separators 110c and 110a, as shown in FIG. 2A, a plurality of cathode gas introduction through holes 112i constituting the cathode gas supply manifold are formed on one long side (the lower side in the figure). A plurality of cathode gas discharge through holes 112o constituting the cathode gas discharge manifold are formed along the other long side (the upper side in the figure). Therefore, the side where the cathode gas supply through hole 112i is provided is the oxidizing gas (air) inlet side, and the side where the cathode gas discharge through hole 112o is provided is the oxidizing gas outlet side. Further, the first separator 110c has a plurality of anode gas introduction through holes 114i constituting an anode gas supply manifold formed along one short side (left side in the figure) to constitute an anode gas discharge manifold. A plurality of anode gas discharge through holes 114o are formed along the other short side (right side in the figure). Accordingly, the fuel gas (hydrogen) inlet side on the side where the anode gas supply through hole 114i is provided, and the side where the anode gas discharge through hole 114o is provided is the fuel gas outlet side.

シール部材120にも、図2(b)に示すように、カソードガス供給マニホールドを構成する複数のカソードガス導入用貫通孔122iが一方の長辺(図の下辺)に沿って形成されており、カソードガス排出マニホールドを構成する複数のカソードガス排出用貫通孔122oが他方の長辺(図の上辺)に沿って形成されている。また、シール部材120には、アノードガス供給マニホールドを構成する複数のアノードガス導入用貫通孔124iが一方の短辺(図の左辺)に沿って形成されており、アノードガス排出マニホールドを構成する複数のアノードガス排出用貫通孔124oが他方の短辺(図の右辺)に沿って形成されている。   Also in the seal member 120, as shown in FIG. 2B, a plurality of cathode gas introduction through holes 122i constituting the cathode gas supply manifold are formed along one long side (the lower side in the figure). A plurality of cathode gas discharge through holes 122o constituting the cathode gas discharge manifold are formed along the other long side (the upper side in the figure). The seal member 120 has a plurality of anode gas introduction through holes 124i constituting an anode gas supply manifold formed along one short side (the left side in the figure), and a plurality of anode gas discharge manifolds are formed. The anode gas discharge through hole 124o is formed along the other short side (the right side in the figure).

なお、以下では、カソードガス導入用貫通孔を「カソードガス供給マニホールド」とも呼び、カソードガス排出用貫通孔を「カソードガス排出マニホールド」とも呼ぶ。また、アノードガス導入用貫通孔を「アノードガス供給マニホールド」とも呼び、アノードガス排出用貫通孔を「カソードガス排出マニホールド」とも呼ぶ。   Hereinafter, the cathode gas introduction through hole is also referred to as a “cathode gas supply manifold”, and the cathode gas discharge through hole is also referred to as a “cathode gas discharge manifold”. The anode gas introduction through hole is also referred to as “anode gas supply manifold”, and the anode gas discharge through hole is also referred to as “cathode gas discharge manifold”.

酸化ガスとしての空気は、図2(a)に示すように、酸化ガス(空気)の供給口となるカソード供給マニホールド112iから、第1のセパレータ110aに形成された酸化ガス流路116c(図3,図4参照)に導入され、電極体100の短辺方向(Y方向)に沿って流れ、酸化ガスの排出口となるカソードガス排出マニホールド112oを介して単セル10の外部へ排出される。これに対して、燃料ガスとしての水素は、燃料ガス(水素)の供給口となるアノードガス供給マニホールド114iから、第1のセパレータ110cに形成された燃料ガス流路116a(図3,図4参照)に導入され、電極体100の長辺方向(X方向)に沿って流れ、燃料ガスの排出口となるアノーガス排出マニホールド114oを介して単セル10の外部へ排出される。すなわち、酸化ガス流路の流路方向と燃料ガス流路の流路方向とが直交する構造とされている。   As shown in FIG. 2A, air as the oxidizing gas flows from a cathode supply manifold 112i serving as an oxidizing gas (air) supply port to an oxidizing gas flow path 116c (FIG. 3) formed in the first separator 110a. , Refer to FIG. 4), flows along the short side direction (Y direction) of the electrode body 100, and is discharged to the outside of the single cell 10 through the cathode gas discharge manifold 112 o serving as an oxidizing gas discharge port. In contrast, hydrogen as a fuel gas is supplied from a fuel gas flow path 116a (see FIGS. 3 and 4) formed in the first separator 110c from an anode gas supply manifold 114i serving as a fuel gas (hydrogen) supply port. ), Flows along the long side direction (X direction) of the electrode body 100, and is discharged to the outside of the single cell 10 through the anogas discharge manifold 114o serving as a fuel gas discharge port. That is, the flow path direction of the oxidizing gas flow path is orthogonal to the flow path direction of the fuel gas flow path.

なお、第1のセパレータ110cとシール部材120と第2のセパレータ110aとには、さらに、冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドを構成するための複数の貫通孔も形成されるが、本発明の説明上特に必要がないので図示および説明を省略する。   The first separator 110c, the seal member 120, and the second separator 110a are further formed with a plurality of through holes for constituting a refrigerant supply manifold and a refrigerant discharge manifold. Since there is no particular need, illustration and description are omitted.

図2(c),図3に示す間隔D1は、アノード供給マニホールド114i,124i側における第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔である。図2(c),図4に示す間隔D2は、アノード排出マニホールド114o,124o側における第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔である。本実施形態では、図4に示す水素排出側の間隔D2よりも、図3に示す水素供給側の間隔D1の方が小さくなるように、電極体100が配置されている点に特徴を有している。この配置構造については、さらに、後述する。   A distance D1 shown in FIGS. 2C and 3 is a distance between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120 on the anode supply manifolds 114i and 124i side. A distance D2 shown in FIGS. 2C and 4 is a distance between the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the anode discharge manifolds 114o and 124o side. The present embodiment is characterized in that the electrode body 100 is arranged so that the distance D1 on the hydrogen supply side shown in FIG. 3 is smaller than the distance D2 on the hydrogen discharge side shown in FIG. ing. This arrangement structure will be further described later.

図5は、燃料電池200の製造方法の概略を示す説明図である。まず、膜電極接合体101を準備する(ステップS10)。次に、膜電極接合体101に、第1の撥水層105cが形成された第1のガス拡散層104cを取り付けると共に、第2の撥水層105aが形成された第2のガス拡散層104aを取り付ける(ステップS12)。すなわち、ステップS12は、電極体100を準備する工程である。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of a method for manufacturing the fuel cell 200. First, the membrane electrode assembly 101 is prepared (step S10). Next, the first gas diffusion layer 104c on which the first water-repellent layer 105c is formed is attached to the membrane electrode assembly 101, and the second gas diffusion layer 104a on which the second water-repellent layer 105a is formed. Is attached (step S12). That is, step S12 is a process of preparing the electrode body 100.

次に、膜電極接合体101の外周縁から内側の外周部のうち、第1のガス拡散層104cが配置された側の第1面101c上に、液状の充填材130を塗布する(ステップS14)。図5のステップS14では、図示の便宜上、充填材130が、シール部材120と電極体100との間に形成される空間Sの外側に塗布されているように描かれているが、実際には、充填材130は、この空間Sの位置に塗布される。塗布する充填材130の量は、空間Sの容積の1.2倍以上2.0倍以下が好ましい。充填材130の量が空間Sの容積の1.2倍以上であることで、後述するステップS16において、充填材130を確実に隙間Mから外側にはみ出させることができる。また、充填材130の量が空間Sの容積の2.0倍以下であることで、後述するステップS16において、隙間Mから充填材130が過度にはみ出す可能性を低減できる。過度に充填材130が隙間Mからはみ出すと、酸化ガス流路が閉塞する不具合が生じ得る。   Next, the liquid filler 130 is applied on the first surface 101c on the side where the first gas diffusion layer 104c is disposed in the outer peripheral portion from the outer peripheral edge to the inner peripheral edge of the membrane electrode assembly 101 (step S14). ). In FIG. 5, for convenience of illustration, the filler 130 is depicted as being applied outside the space S formed between the seal member 120 and the electrode body 100. The filler 130 is applied to the position of the space S. The amount of the filler 130 to be applied is preferably 1.2 to 2.0 times the volume of the space S. Since the amount of the filler 130 is 1.2 times or more the volume of the space S, the filler 130 can be reliably protruded outward from the gap M in step S16 described later. Further, since the amount of the filler 130 is 2.0 times or less of the volume of the space S, the possibility that the filler 130 protrudes excessively from the gap M in step S16 described later can be reduced. If the filler 130 protrudes excessively from the gap M, there may be a problem that the oxidizing gas flow path is blocked.

次に、シール部材120を第1のガス拡散層104cを囲むように配置する。この際、上記したように、水素排出側の間隔D2(図4)よりも、水素供給側の間隔D1(図3)の方が小さくなるように配置する。これにより、充填材130の一部分がシール部材120によって押し出され、この結果、シール部材120と膜電極接合体101とによって挟まれた第1充填部分131と、隙間Mから第1のガス拡散層104cよりも膜電極接合体101の積層方向外側にはみ出した露出部分132と、が形成される(ステップS16)。この工程は、例えば、膜電極接合体101の積層方向に沿って見たときに、シール部材120と塗布した充填材130とが一部重なるようにして、シール部材120を充填材130上に配置することによって実現できる。   Next, the sealing member 120 is disposed so as to surround the first gas diffusion layer 104c. At this time, as described above, the hydrogen supply side interval D1 (FIG. 3) is smaller than the hydrogen discharge side interval D2 (FIG. 4). Thereby, a part of the filler 130 is pushed out by the seal member 120. As a result, the first gas diffusion layer 104c from the first filling portion 131 sandwiched between the seal member 120 and the membrane electrode assembly 101 and the gap M is obtained. Thus, an exposed portion 132 that protrudes outward in the stacking direction of the membrane electrode assembly 101 is formed (step S16). In this step, for example, the seal member 120 is disposed on the filler 130 so that the seal member 120 and the applied filler 130 partially overlap when viewed in the stacking direction of the membrane electrode assembly 101. It can be realized by doing.

次に、第1と第2のセパレータ110c,110aを電極体100の両側に取り付ける(ステップS18)。詳細には、第1と第2のセパレータ110c,110aのうちシール部材120と当接する部分に接着剤を塗布して、第1と第2のセパレータ110c,110aによってシール部材120および電極体100を積層方向に圧縮する方向に力を加える。これにより、第1と第2のセパレータ110c,110aと、シール部材120とが取り付けられる。また、少なくとも第1のセパレータ110cを充填材130が硬化する温度以上に加熱する。これにより、充填材130を硬化させて充填材130と第1のセパレータ110cとを取り付ける。この結果、単セル10が製造される。単セル10を複数積層することで燃料電池200が製造される。   Next, the first and second separators 110c and 110a are attached to both sides of the electrode body 100 (step S18). Specifically, an adhesive is applied to a portion of the first and second separators 110c and 110a that contacts the seal member 120, and the seal member 120 and the electrode body 100 are connected by the first and second separators 110c and 110a. Apply force in the direction of compression in the stacking direction. Thereby, the 1st and 2nd separator 110c, 110a and the sealing member 120 are attached. Further, at least the first separator 110c is heated to a temperature higher than the temperature at which the filler 130 is cured. Thereby, the filler 130 is cured and the filler 130 and the first separator 110c are attached. As a result, the single cell 10 is manufactured. The fuel cell 200 is manufactured by stacking a plurality of single cells 10.

ここで、課題で説明したように、充填材130の充填量が少ない場合には、シール部材120と第1のガス拡散層104cとの間の隙間S(図5のステップS14参照)の部分では、電極間のガス差圧(極間差圧)によって発生する応力による膜電極接合体101の変形を抑制することが困難となる可能性がある。これに対して、本実施形態では、上記したように、極間差圧による膜電極接合体の変形の抑制を目的として、水素排出側における第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔D2よりも、水素供給側の間隔D1の方が小さくなるように、電極体100が配置された構造を有している(図2〜4参照)。このシール部材120および電極体100の配置構造は、以下の実施例で説明するように、充填材130の充填量が少ない場合においても、燃料ガスの圧力の方が酸化ガスの圧力よりも高くなるような極間差圧によって発生する膜電極接合体の変形を抑制することが可能である。   Here, as described in the problem, when the filling amount of the filler 130 is small, in the gap S (see step S14 in FIG. 5) between the seal member 120 and the first gas diffusion layer 104c. In addition, it may be difficult to suppress the deformation of the membrane electrode assembly 101 due to the stress generated by the gas differential pressure between the electrodes (interelectrode differential pressure). In contrast, in the present embodiment, as described above, the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c on the hydrogen discharge side and the sealing member for the purpose of suppressing the deformation of the membrane electrode assembly due to the differential pressure between the electrodes. The electrode body 100 is arranged such that the distance D1 on the hydrogen supply side is smaller than the distance D2 between the inner peripheral end portion 120 (see FIGS. 2 to 4). In the arrangement structure of the seal member 120 and the electrode assembly 100, as will be described in the following embodiments, the pressure of the fuel gas is higher than the pressure of the oxidizing gas even when the filling amount of the filler 130 is small. It is possible to suppress the deformation of the membrane electrode assembly caused by such an inter-electrode differential pressure.

本実施形態による膜電極接合体の変形を抑制する効果を確認するために、以下に示す4種類の配置構造の異なるサンプル#1〜4について評価を行った。   In order to confirm the effect of suppressing the deformation of the membrane / electrode assembly according to the present embodiment, the following four types of samples # 1 to # 4 having different arrangement structures were evaluated.

図6は、サンプル#1におけるシール部材120と第1のガス拡散層104cとの配置関係を示す平面図である。サンプル#1は、第1のガス拡散層104cの外周端部が、燃料ガス(アノードガス)としての水素供給側および酸化ガス(カソードガス)としての空気排出側で、シール部材120の内周端部に接触するように配置されたサンプルである。サンプル#1は、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間隔として、水素供給側を水素排出側に比べて小さくするとともに、空気供給側を空気排出側に比べて小さくした構造の一例である。   FIG. 6 is a plan view showing the positional relationship between the seal member 120 and the first gas diffusion layer 104c in sample # 1. In sample # 1, the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is the hydrogen supply side as the fuel gas (anode gas) and the air discharge side as the oxidizing gas (cathode gas), and the inner peripheral end of the seal member 120 It is the sample arrange | positioned so that a part may be contacted. In sample # 1, the distance between the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end portion of the seal member 120 is made smaller on the hydrogen supply side than on the hydrogen discharge side, and the air supply side is discharged on the air. It is an example of the structure made small compared with the side.

図7は、サンプル#2におけるシール部材120と第1のガス拡散層104cとの配置関係を示す平面図である。サンプル#2は、第1のガス拡散層104cの外周端部が、水素排出側および空気供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されたサンプルである。サンプル#2は、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間隔として、水素供給側を水素排出側に比べて大きくするとともに、空気排出側を空気供給側に比べて大きくした構造の一例である。   FIG. 7 is a plan view showing the positional relationship between the seal member 120 and the first gas diffusion layer 104c in sample # 2. Sample # 2 is a sample arranged so that the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is in contact with the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen discharge side and the air supply side. In sample # 2, the distance between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120 is larger on the hydrogen supply side than on the hydrogen discharge side, and the air discharge side is supplied with air. It is an example of the structure enlarged compared with the side.

図8は、サンプル#3におけるシール部材120と第1のガス拡散層104cとの配置関係を示す平面図である。サンプル3は、第1のガス拡散層104cの外周端部が、水素排出側および空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されたサンプルである。サンプル#3は、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間隔として、水素供給側を水素排出側に比べて大きくするとともに、空気排出側を空気供給側に比べて小さくした構造の一例である。   FIG. 8 is a plan view showing the positional relationship between the seal member 120 and the first gas diffusion layer 104c in sample # 3. Sample 3 is a sample arranged so that the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c contacts the inner peripheral end of the seal member 120 on the hydrogen discharge side and the air discharge side. In sample # 3, the distance between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120 is larger on the hydrogen supply side than on the hydrogen discharge side, and the air discharge side is supplied with air. It is an example of the structure made small compared with the side.

図9は、サンプル#4におけるシール部材120と第1のガス拡散層104cとの配置関係を示す平面図である。サンプル#4は、第1のガス拡散層104cの外周端部が、水素供給側および空気供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されたサンプルである。サンプル#4は、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間隔として、水素供給側を水素排出側に比べて小さくするとともに、空気排出側を空気供給側に比べて大きくした構造の一例である。   FIG. 9 is a plan view showing the positional relationship between the seal member 120 and the first gas diffusion layer 104c in sample # 4. Sample # 4 is a sample arranged so that the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is in contact with the inner peripheral end of the seal member 120 on the hydrogen supply side and the air supply side. In sample # 4, the distance between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120 is made smaller on the hydrogen supply side than on the hydrogen discharge side, and the air discharge side is supplied with air. It is an example of the structure enlarged compared with the side.

以上のように、サンプル#1およびサンプル#4は、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔(隙間)として水素供給側が水素排出側に比べて小さくなるように、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されたサンプルである。これに対して、サンプル#2およびサンプル#3は、第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔(隙間)として水素供給側が水素排出側に比べて大きくなるように、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されたサンプルである。   As described above, in sample # 1 and sample # 4, the hydrogen supply side is the hydrogen discharge side as the gap (gap) between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120. The sample is arranged so that the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is in contact with the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side so as to be smaller. On the other hand, in sample # 2 and sample # 3, the hydrogen supply side is the hydrogen discharge side as the gap (gap) between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120. In this sample, the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is arranged so as to come into contact with the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen discharge side so as to be larger.

ただし、第1のガス拡散層104cの構造を考慮すると、第1のガス拡散層104cの外周端部がシール部材120の内周端部に接触するように配置されたとしても、0.5mm程度の隙間が生じる。なぜならば、第1のガス拡散層104cの外周端部のシール部材120に接触させる面(Z方向に沿った面)には凹凸があり、凸部分ではシール部材120と接触するが凹部分ではシール部材120と接触せずに隙間が生じるためである。   However, in consideration of the structure of the first gas diffusion layer 104c, even if the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is arranged so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120, it is about 0.5 mm. A gap is generated. This is because the surface (the surface along the Z direction) that contacts the seal member 120 at the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c has irregularities, and the convex portion contacts the seal member 120, but the concave portion does not seal. This is because a gap is formed without contacting the member 120.

図10は、各サンプルにおける隙間をまとめた表である。サンプル#1では、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびc部のX方向の隙間(間隔)が0.5mmで、b部およびd部のX方向の隙間が1.5mmとなっている。また、サンプル#1では、第1のガス拡散層104cが空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびb部のY方向の隙間が0.5mmで、c部およびd部のY方向の隙間が1.5mmとなっている。   FIG. 10 is a table summarizing the gaps in each sample. In sample # 1, since the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is arranged to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side, the gap between the a portion and the c portion in the X direction is arranged. The (interval) is 0.5 mm, and the gap in the X direction between the b part and the d part is 1.5 mm. In sample # 1, since the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end of the seal member 120 on the air discharge side, the gap in the Y direction between the a part and the b part is 0. The gap in the Y direction between the c part and the d part is 1.5 mm.

サンプル#2では、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびc部のX方向の隙間が1.5mmで、b部およびd部のX方向の隙間が0.5mmとなっている。また、サンプル#2では、第1のガス拡散層104cの外周端部が空気供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびb部のY方向の隙間が1.5mmで、c部およびd部のY方向の隙間が0.5mmとなっている。   In sample # 2, since the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen discharge side, the gap between the a portion and the c portion in the X direction is arranged. Is 1.5 mm, and the gap in the X direction between the b part and the d part is 0.5 mm. In sample # 2, since the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is arranged to contact the inner peripheral end of the seal member 120 on the air supply side, the Y direction of the a part and the b part The gap in the Y direction between the c part and the d part is 0.5 mm.

サンプル#3では、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびc部のX方向の隙間が1.5mmで、b部およびd部のX方向の隙間が0.5mmとなっている。また、サンプル#3では、第1のガス拡散層104cの外周端部が空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびb部のY方向の隙間が0.5mmで、c部およびd部のY方向の隙間が1.5mmとなっている。   In sample # 3, since the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen discharge side, the gap between the a portion and the c portion in the X direction is arranged. Is 1.5 mm, and the gap in the X direction between the b part and the d part is 0.5 mm. Further, in sample # 3, the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end of the seal member 120 on the air discharge side. The gap in the Y direction between the c part and the d part is 1.5 mm.

サンプル#4では、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびc部のX方向の隙間が0.5mmで、b部およびd部のX方向の隙間が1.5mmとなっている。また、サンプル#4では、第1のガス拡散層104cの外周端部が空気供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されているので、a部およびb部のY方向の隙間が1.5mmで、c部およびd部のY方向の隙間が0.5mmとなっている。   In sample # 4, since the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side, the gap between the a portion and the c portion in the X direction is arranged. Is 0.5 mm, and the gap in the X direction between the b part and the d part is 1.5 mm. Further, in sample # 4, since the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is arranged to contact the inner peripheral end of the seal member 120 on the air supply side, the Y direction of the a part and the b part The gap in the Y direction between the c part and the d part is 0.5 mm.

水素供給口(アノードガス供給マニホールド)から供給される水素のガス圧を300kPaとし、水素排出口(アノードガス排出マニホールド)へ排出される水素のガス圧を100kPaとするとともに、空気供給口(カソードガス供給マニホールド)から供給される空気のガス圧を200kPaとし、空気排出口(カソードガス排出マニホールド)へ排出される空気のガス圧を100kPaとした。この場合の各部a〜dで発生する極間のガス差圧(極間差圧)Δpは、a部:+200kPa、b部:0kPa、c部:+100kPa、d分:−100kPaとなる。差圧の符号が「+」の場合、(アノードにおける水素の圧力)>(カソードにおける空気の圧力)となることを示している。従って、a部とc部とでは、極間差圧Δpに応じて膜電極接合体に加わる応力によって、膜電極接合体の変形を引き起こす可能性がある。   The gas pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply port (anode gas supply manifold) is set to 300 kPa, the gas pressure of hydrogen discharged to the hydrogen discharge port (anode gas discharge manifold) is set to 100 kPa, and the air supply port (cathode gas). The gas pressure of air supplied from the supply manifold) was 200 kPa, and the gas pressure of air discharged to the air discharge port (cathode gas discharge manifold) was 100 kPa. In this case, the gas differential pressure (electrode differential pressure) Δp generated in each part a to d is a part: +200 kPa, b part: 0 kPa, c part: +100 kPa, d part: -100 kPa. When the sign of the differential pressure is “+”, it indicates that (hydrogen pressure at the anode)> (air pressure at the cathode). Therefore, in the a part and the c part, there is a possibility that the deformation of the membrane electrode assembly is caused by the stress applied to the membrane electrode assembly in accordance with the interelectrode differential pressure Δp.

図11は、各サンプルのa部およびc部において想定される引張応力を示す表である。図11に示された各引張応力は、以下に示すように計算により求めることができる。   FIG. 11 is a table showing the tensile stress assumed in part a and part c of each sample. Each tensile stress shown in FIG. 11 can be obtained by calculation as shown below.

図12は、膜電極接合体(MEA)の変形のモデルを示す模式図である。図12に示すように、膜電極接合体に垂直な仮想中心軸(一点鎖線)を中心として半径aの領域に外力pが加わった場合には、仮想中心軸を中心とした半径aの領域において膜電極接合体の変形が発生するものとする。この場合、膜電極接合体の変形前の仮想中心軸からの距離rおよび仮想中心軸回りの角度θで表される極座標(r,θ)における引張応力σrおよび引張応力σθは、r=aとして下式(1)で表される。
σ=σr=σθ=(B0/4(E・p2・r2/t21/3
=(B0/4(E・p2・a2/t21/3 …(1)
Eは用いられる膜電極接合体のヤング率であり、B0は定数であって、例えば、ポアソン比ν=0.4でB0=1.777である。また、tは膜電極接合体の膜厚である。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a model of deformation of a membrane electrode assembly (MEA). As shown in FIG. 12, when an external force p is applied to the area of radius a centering on the virtual center axis (one-dot chain line) perpendicular to the membrane electrode assembly, in the area of radius a centering on the virtual center axis It is assumed that deformation of the membrane electrode assembly occurs. In this case, the tensile stress σ r and the tensile stress σ θ in polar coordinates (r, θ) represented by the distance r from the virtual center axis before deformation of the membrane electrode assembly and the angle θ around the virtual center axis are: It is represented by the following formula (1) as a.
σ = σ r = σ θ = (B 0/4 (E · p 2 · r 2 / t 2 ) 1/3
= (B 0/4 (E · p 2 · a 2 / t 2 ) 1/3 (1)
E is the Young's modulus of the membrane electrode assembly used, and B 0 is a constant, for example, Poisson's ratio ν = 0.4 and B 0 = 1.777. T is the film thickness of the membrane electrode assembly.

なお、上記式(1)は、一般的な材料力学における引張応力(以下、単に「応力」とも呼ぶ)σの式を膜電極接合体に適用した式である(Journal of Power Sources 194(2009)873−879参照)。   The above formula (1) is a formula in which a formula of tensile stress (hereinafter, also simply referred to as “stress”) σ in general material mechanics is applied to a membrane electrode assembly (Journal of Power Sources 194 (2009)). 873-879).

ここで、シール部材120の内周端部と第1のガス拡散層104cの外周端部との間の隙間で膜電極接合体に発生する応力は、図12で示した膜電極接合体における変形の領域の直径(2a)を隙間の大きさとみなすとともに、外力pを極間差圧Δpとすることにより、上記式(1)から隙間と引張応力σ(=σr)との関係を計算することができる。なお、図13は、a部の極間差圧(Δp=200kPa)およびc部の極間差圧(Δp=100kPa)をパラメータとし、それぞれにおける隙間と引張応力σとの関係を示すグラフである。また、図14は、図13に基づいてa部およびc部における隙間と極間差圧Δpと引張応力σとの関係をまとめた表である。 Here, the stress generated in the membrane electrode assembly in the gap between the inner peripheral end portion of the seal member 120 and the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is the deformation in the membrane electrode assembly shown in FIG. The relationship between the gap and the tensile stress σ (= σ r ) is calculated from the above equation (1) by regarding the diameter (2a) of the region of 2 as the size of the gap and setting the external force p as the inter-electrode differential pressure Δp. be able to. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the gap and the tensile stress σ in each of which the parameter is the inter-electrode differential pressure (Δp = 200 kPa) and the c-component differential pressure (Δp = 100 kPa). . FIG. 14 is a table summarizing the relationship among the gaps in the a part and the c part, the inter-electrode differential pressure Δp, and the tensile stress σ based on FIG.

以上のようにして得られた結果(図13,14)に基づいて、図11に示した各サンプルのa部およびc部において想定される引張応力が求められる。サンプル#1では、c部における引張応力はサンプル#2およびサンプル#3と同じ7.9MPaであり、サンプル#2およびサンプル#3に対して大きくならず、a部における引張応力がサンプル#2およびサンプル#3の12.5MPaに対して6.0MPaと半分以下の大きさとなっている。また、サンプル#4では、a部における引張応力はサンプル#2およびサンプル#3と同じ12.5MPaであり、サンプル#2およびサンプル#3に対して大きくならず、c部における引張応力がサンプル#2およびサンプル#3の7.9MPaに対して3.8MPaと半分以下の大きさとなっている。   Based on the results obtained as described above (FIGS. 13 and 14), the tensile stress assumed in the a part and the c part of each sample shown in FIG. 11 is obtained. In sample # 1, the tensile stress in part c is 7.9 MPa, which is the same as in sample # 2 and sample # 3, and does not increase relative to sample # 2 and sample # 3. The size is less than half of 6.0 MPa with respect to 12.5 MPa of sample # 3. In sample # 4, the tensile stress in part a is 12.5 MPa, which is the same as in sample # 2 and sample # 3, and does not increase with respect to sample # 2 and sample # 3. 2 and 7.9 MPa of sample # 3, which is 3.8 MPa, less than half the size.

従って、サンプル#1およびサンプル#4のように、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置される構造によれば、水素の圧力が空気の圧力よりも高くなる極間差圧に応じて膜電極接合体に発生する応力を抑制することが可能であり、膜電極接合体の変形を抑制することが可能である。また、酸化ガス(空気)の流路方向と燃料ガス(水素)の流路方向とが直交する構造の場合には、サンプル#1のように、さらに、第1のガス拡散層104cの外周端部が空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置される構造であることが好ましい。サンプル#1では、水素の圧力が空気の圧力よりも高くなる極間差圧に応じて膜電極接合体に発生する応力をサンプル#4よりも抑制することが可能であり、膜電極接合体の変形をより抑制することが可能である。   Therefore, according to the structure in which the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is arranged so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side as in sample # 1 and sample # 4, It is possible to suppress the stress generated in the membrane electrode assembly in accordance with the inter-electrode differential pressure in which the hydrogen pressure is higher than the air pressure, and it is possible to suppress the deformation of the membrane electrode assembly. Further, in the case of a structure in which the flow direction of the oxidizing gas (air) and the flow direction of the fuel gas (hydrogen) are orthogonal to each other, as in sample # 1, the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c It is preferable that the structure is arranged so that the portion contacts the inner peripheral end of the seal member 120 on the air discharge side. In sample # 1, it is possible to suppress the stress generated in the membrane electrode assembly in response to the differential pressure between the electrodes where the hydrogen pressure is higher than the air pressure, compared to sample # 4. It is possible to further suppress deformation.

なお、サンプル#1およびサンプル#4は、水素排出側における第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔(隙間)よりも水素供給側の間隔の方が小さくなる配置構造の一例として、水素供給側で第1のガス拡散層104cの外周端部がシール部材120の内周端部に接触するように配置されたものである。サンプル#1およびサンプル#4の場合であっても、上記したように、接触させるように配置した部分においても0.5mm程度の隙間が生じている。このことを考慮すれば、必ずしも、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置される必要はない。水素供給側におけるシール部材120の内周端部と第1のガス拡散層104cの外周端部との間隔が、水素排出側におけるシール部材120の内周端部と第1のガス拡散層104cの外周端部との間隔よりも小さくなるように配置されていてれば良い。この配置構造によれば、少なくとも、極間差圧が大きくなる水素供給側の位置にある隙間において膜電極接合体に発生する応力を抑制することが可能であり、膜電極接合体の変形を抑制することが可能である。ただし、サンプル#1およびサンプル#4のように、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側でシール部材120の内周端部に接触するように配置される構造が望ましい。   Note that Sample # 1 and Sample # 4 are spaced on the hydrogen supply side from the distance (gap) between the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c and the inner peripheral end of the seal member 120 on the hydrogen discharge side. As an example of an arrangement structure in which this is smaller, the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is arranged so as to contact the inner peripheral end of the seal member 120 on the hydrogen supply side. Even in the case of sample # 1 and sample # 4, as described above, a gap of about 0.5 mm is generated even in the portion arranged to contact. Considering this, it is not always necessary that the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c be in contact with the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side. The distance between the inner peripheral end of the seal member 120 on the hydrogen supply side and the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is such that the inner peripheral end of the seal member 120 on the hydrogen discharge side and the first gas diffusion layer 104c What is necessary is just to arrange | position so that it may become smaller than the space | interval with an outer peripheral edge part. According to this arrangement structure, it is possible to suppress the stress generated in the membrane electrode assembly at least in the gap at the position on the hydrogen supply side where the inter-electrode differential pressure increases, and to suppress deformation of the membrane electrode assembly. Is possible. However, as in sample # 1 and sample # 4, a structure in which the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side is desirable.

また、サンプル#1は、酸化ガスとしての空気の流路方向と燃料ガスとしての水素の流路方向とが直交する構造の場合に、さらに、空気供給側における第1のガス拡散層104cの外周端部とシール部材120の内周端部との間の間隔よりも空気排出側の間隔の方が小さくなる配置構造の一例として、第1のガス拡散層104cの外周端部が空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置されたものである。同様に、必ずしも、第1のガス拡散層104cの外周端部が空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置される必要はない。空気排出側におけるシール部材120の内周端部と第1のガス拡散層104cの外周端部との間隔が、空気供給側におけるシール部材120の内周端部と第1のガス拡散層104cの外周端部との間隔よりも小さくなるように配置されていれば良い。この配置構造によれば、水素供給側において膜電極接合体に加わる極間差圧を低減することが可能である。この結果、水素供給側かつ空気排出側の位置の隙間において膜電極接合体に発生する応力を抑制することが可能であり、膜電極接合体の変形を抑制することが可能である。ただし、サンプル#1のように、第1のガス拡散層104cの外周端部が水素供給側および空気排出側でシール部材120の内周端部に接触するように配置される構造が望ましい。   Sample # 1 has a structure in which the flow path direction of the air as the oxidizing gas and the flow path direction of the hydrogen as the fuel gas are orthogonal to each other, and the outer periphery of the first gas diffusion layer 104c on the air supply side. As an example of an arrangement structure in which the interval on the air discharge side is smaller than the interval between the end portion and the inner peripheral end portion of the seal member 120, the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is on the air discharge side. The seal member 120 is disposed so as to be in contact with the inner peripheral end portion. Similarly, it is not always necessary that the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c be in contact with the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the air discharge side. The distance between the inner peripheral end of the seal member 120 on the air discharge side and the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 104c is such that the inner peripheral end of the seal member 120 on the air supply side and the first gas diffusion layer 104c What is necessary is just to arrange | position so that it may become smaller than the space | interval with an outer peripheral edge part. According to this arrangement structure, it is possible to reduce the inter-electrode differential pressure applied to the membrane electrode assembly on the hydrogen supply side. As a result, the stress generated in the membrane electrode assembly in the gap between the hydrogen supply side and the air discharge side can be suppressed, and deformation of the membrane electrode assembly can be suppressed. However, as in sample # 1, a structure in which the outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer 104c is disposed so as to contact the inner peripheral end portion of the seal member 120 on the hydrogen supply side and the air discharge side is desirable.

なお、上記実施形態では、シール部材120は、膜電極接合体101の外周部のうち第1のガス拡散層104cが配置された側(カソード側)に設けられた構造を例に説明しているが、第2のガス拡散層104aの外周端部も、第1のガス拡散層104cと同様に、膜電極接合体101の外周端部よりも内側に位置しており、第2のガス拡散層104aが配置された側(アノード側)にもシール部材120が設けられた構造の場合には、シール部材120の内周端部と第1のガス拡散層140cの外周端部との間の隙間およびシール部材120の内周端部と第2のガス拡散層104aの外周端部との間の隙間において、同様に適用することが可能である。   In the above-described embodiment, the seal member 120 is described as an example of the structure provided on the side (cathode side) where the first gas diffusion layer 104c is disposed in the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly 101. However, the outer peripheral end portion of the second gas diffusion layer 104a is located on the inner side of the outer peripheral end portion of the membrane electrode assembly 101, similarly to the first gas diffusion layer 104c. In the case where the seal member 120 is also provided on the side where the 104a is disposed (the anode side), the gap between the inner peripheral end of the seal member 120 and the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 140c. The present invention can be similarly applied to the gap between the inner peripheral end of the seal member 120 and the outer peripheral end of the second gas diffusion layer 104a.

上記実施形態では、燃料ガス流路の流路方向が横方向で酸化ガス流路の流路方向が縦方向に直交する構造を例に説明したが、互いに逆であってもよい。また、燃料ガス流路および酸化ガス流路の両方の流路方向が横方向あるいは縦方向に同じ向きとした構造でもよく、この場合において、燃料ガスと酸化ガスの流れの方向も、互いに同じ方向を向いて良いし、互いに対向する方向を向いていてもよい。   In the above embodiment, the structure in which the flow direction of the fuel gas flow path is horizontal and the flow direction of the oxidation gas flow path is orthogonal to the vertical direction has been described as an example, but the structures may be reversed. In addition, the fuel gas flow channel and the oxidizing gas flow channel may have the same flow direction in the horizontal direction or the vertical direction. In this case, the flow directions of the fuel gas and the oxidizing gas are also in the same direction. You may face to the direction which mutually opposes.

本発明は、上述の実施形態や実施例、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、実施例、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, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and 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 above 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.

5…燃料電池システム
10,10R…単セル
20…電解質膜
21…エンドプレート
22…絶縁板
23…集電板
24…テンションロッド
25…ナット
26…制御部
27…駆動部
40…エアコンプレッサ
41…酸化ガス供給路
43…冷媒循環流路
45…ラジエータ
46…冷媒循環ポンプ
47…冷媒循環流路
48…カソード排ガス路
50…水素タンク
51…減圧弁
52…圧力調整弁
53…水素ガス供給路
54…アノード排ガス路
100…電極体
101…膜電極接合体(MEA)
102…電解質膜
103a…アノード
103c…カソード
104a…第2のガス拡散層
104c…第1のガス拡散層
105a…第2の撥水層
105c…第1の撥水層
106a…第2のガス拡散層
106c…第1のガス拡散層
110a…第2のセパレータ
110c…第1のセパレータ
116a…燃料ガス流路(流路溝)
116c…酸化ガス流路(流路溝)
120…シール部材
130…充填材
131…第1充填部分131
132…第2充填部分(露出部分)132
200…燃料電池
S…空間
M…隙間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Fuel cell system 10, 10R ... Single cell 20 ... Electrolyte membrane 21 ... End plate 22 ... Insulating plate 23 ... Current collecting plate 24 ... Tension rod 25 ... Nut 26 ... Control part 27 ... Drive part 40 ... Air compressor 41 ... Oxidation Gas supply path 43 ... Refrigerant circulation path 45 ... Radiator 46 ... Refrigerant circulation pump 47 ... Refrigerant circulation path 48 ... Cathode exhaust gas path 50 ... Hydrogen tank 51 ... Pressure reducing valve 52 ... Pressure adjustment valve 53 ... Hydrogen gas supply path 54 ... Anode Exhaust gas path 100... Electrode body 101. Membrane electrode assembly (MEA)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 ... Electrolyte membrane 103a ... Anode 103c ... Cathode 104a ... 2nd gas diffusion layer 104c ... 1st gas diffusion layer 105a ... 2nd water repellent layer 105c ... 1st water repellent layer 106a ... 2nd gas diffusion layer 106c ... first gas diffusion layer 110a ... second separator 110c ... first separator 116a ... fuel gas channel (channel groove)
116c ... oxidizing gas channel (channel groove)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 120 ... Seal member 130 ... Filler 131 ... 1st filling part 131
132 ... second filling portion (exposed portion) 132
200 ... Fuel cell S ... Space M ... Gap

Claims (2)

燃料電池のセル構造であって、
矩形状の膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された矩形状の第1と第2のガス拡散層と、を備える矩形状の電極体であって、前記第1のガス拡散層は、前記第2のガス拡散層よりも面積が小さく、前記第1のガス拡散層の外周部は、前記膜電極接合体の外周部および前記第2のガス拡散層の外周部よりも内側に位置する、電極体と、
矩形状の開口部を有するシール部材であって、前記開口部に前記第1のガス拡散層を配置することにより前記第1のガス拡散層の外周部を覆うシール部材と、
前記第1のガス拡散層の外周端部と前記シール部材の内周端部との間に充填された充填材と、
前記シール部材の面上と前記第1のガス拡散層の面上に配置され、前記第1のガス拡散層の面に沿って酸化ガスを流す酸化ガス流路を有する第1のセパレータと、
前記シール部材の面上と前記第2のガス拡散層の面上に配置され、前記第2のガス拡散層の面に沿って燃料ガスを流す燃料ガス流路を有する第2のセパレータと、
前記電極体の第1の辺の外周側にあり、前記燃料ガス流路に外部から前記燃料ガスを供給するための前記燃料ガスの供給口と、
前記第1の辺に対向する第2の辺の外周側にあり、前記燃料ガス流路から外部へ前記燃料ガスを排出するための前記燃料ガスの排出口と、
を備え、
前記電極体は、前記燃料ガスの供給口側に位置する前記第1のガス拡散層の第1の外周端部と前記シール部材の第1の内周端部との間の間隔が、前記燃料ガスの排出口側に位置する前記第1のガス拡散層の第2の外周端部と前記シール部材の第2の内周端部との間の間隔よりも小さくなるように、配置されている
ことを特徴とする燃料電池のセル構造。
A cell structure of a fuel cell,
A rectangular electrode assembly comprising a rectangular membrane electrode assembly and rectangular first and second gas diffusion layers arranged on both sides of the membrane electrode assembly, wherein the first gas The diffusion layer has a smaller area than the second gas diffusion layer, and the outer periphery of the first gas diffusion layer is smaller than the outer periphery of the membrane electrode assembly and the outer periphery of the second gas diffusion layer. An electrode body located inside;
A sealing member having a rectangular opening, the sealing member covering the outer periphery of the first gas diffusion layer by disposing the first gas diffusion layer in the opening;
A filler filled between an outer peripheral end of the first gas diffusion layer and an inner peripheral end of the seal member;
A first separator having an oxidizing gas flow path disposed on the surface of the sealing member and on the surface of the first gas diffusion layer and flowing an oxidizing gas along the surface of the first gas diffusion layer;
A second separator disposed on a surface of the seal member and a surface of the second gas diffusion layer, and having a fuel gas flow path for flowing a fuel gas along the surface of the second gas diffusion layer;
The fuel gas supply port for supplying the fuel gas from the outside to the fuel gas flow path, on the outer peripheral side of the first side of the electrode body;
The fuel gas exhaust port for exhausting the fuel gas from the fuel gas flow path to the outside, on the outer peripheral side of the second side facing the first side;
With
The electrode body has an interval between the first outer peripheral end of the first gas diffusion layer located on the fuel gas supply port side and the first inner peripheral end of the seal member. It arrange | positions so that it may become smaller than the space | interval between the 2nd outer peripheral edge part of the said 1st gas diffusion layer located in the gas discharge port side, and the 2nd inner peripheral edge part of the said sealing member. A cell structure of a fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池のセル構造であって、さらに、
前記電極体の前記第1の辺に垂直な第3の辺の外周側にあり、前記酸化ガス流路に外部から前記酸化ガスを供給するための前記酸化ガスの供給口と、
前記第3の辺に対向する第4の辺の外周側に配置され、前記酸化ガス流路から外部へ前記酸化ガスを排出するための前記酸化ガスの排出口と、
を備え、
前記電極体は、前記酸化ガスの排出口側に位置する前記第1のガス拡散層の第3の外周端部と前記シール部材の第3の内周端部との間の間隔が、前記酸化ガスの供給口側に位置する前記第4のガス拡散層の第4の外周端部と前記シール部材の第4の内周端部との間の間隔よりも大きくなるように、配置されている
ことを特徴とする燃料電池のセル構造。
The cell structure of the fuel cell according to claim 1, further comprising:
The oxidizing gas supply port for supplying the oxidizing gas from the outside to the oxidizing gas channel, on the outer peripheral side of a third side perpendicular to the first side of the electrode body;
The oxidizing gas exhaust port for exhausting the oxidizing gas from the oxidizing gas flow path to the outside, disposed on the outer peripheral side of the fourth side facing the third side;
With
The electrode body has an interval between a third outer peripheral end portion of the first gas diffusion layer located on the oxidizing gas discharge port side and a third inner peripheral end portion of the seal member. It arrange | positions so that it may become larger than the space | interval between the 4th outer peripheral end part of the said 4th gas diffusion layer located in the gas supply port side, and the 4th inner peripheral end part of the said sealing member. A cell structure of a fuel cell.
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