JP2016131085A - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2016131085A JP2015004681A JP2015004681A JP2016131085A JP 2016131085 A JP2016131085 A JP 2016131085A JP 2015004681 A JP2015004681 A JP 2015004681A JP 2015004681 A JP2015004681 A JP 2015004681A JP 2016131085 A JP2016131085 A JP 2016131085A
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美穂 玄番
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栄一 安本
光生 吉村
Mitsuo Yoshimura
光生 吉村
規寿 吉本
Norihisa Yoshimoto
規寿 吉本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high performance fuel cell capable of preventing fuel gas and oxidizing gas from leaking through a gap by sealing the same.SOLUTION: The fuel cell includes: frame bodies 9a and 9b which are formed around a sticking out part of electrode layers 3a and 3b of a solid state high molecular electrolyte film 2. The frame bodies 9a and 9b are formed of a resin, which includes isolative fiber sheet filling the gaps between the fiber sheet and a separator while covering the outer periphery end part of the fiber sheet. With this, the fuel cell, which has the frame bodies 9a and 9b having a function of sealing to prevent leakage along the sheet, is achieved in a simple manner.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte type fuel cell and a method for producing the same.

固体高分子電解質型燃料電池(以下、「PEFC」という場合もある)は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱を同時に発生させる装置である。   A solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “PEFC”) uses a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, such as air, to cause an electrochemical reaction. And a device that generates heat at the same time.

このPEFCの基本的な構成要素としては、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、およびその高分子電解質膜の両面に形成されたアノード電極、カソード電極がある。これらの電極は、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、およびその触媒層の外側に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層(GDL)を有する。   Basic components of the PEFC include a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and an anode electrode and a cathode electrode formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane. These electrodes have a catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer (GDL) that is disposed outside the catalyst layer and has both air permeability and electronic conductivity.

このように高分子電解質膜と電極とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜―電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ。   The assembly in which the polymer electrolyte membrane and the electrode are integrally joined in this way is called an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA).

また、そのMEAの両側には、MEAを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続するための、導電性のセパレータが配置される。そのセパレータとMEAとの接触部分には、それぞれの電極に反応ガスを供給し、また生成する水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。このように、MEAが一対のセパレータによる挟み込まれた構造体を燃料電池セルという。   On both sides of the MEA, conductive separators are disposed for mechanically sandwiching and fixing the MEAs and electrically connecting adjacent MEAs in series. At the contact portion between the separator and the MEA, a gas flow path is formed for supplying a reaction gas to each electrode and carrying away generated water and surplus gas. A structure in which the MEA is sandwiched between the pair of separators is referred to as a fuel cell.

固体高分子電解質膜は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜に形成されている。薄膜である固体高分子電解質膜は、形状を保持する力がほとんどないため、温度や湿度の影響を受けて変形しやすく、取り扱い性が悪い。   The solid polymer electrolyte membrane is formed in a thin film in order to suppress a voltage drop due to its resistance. A solid polymer electrolyte membrane, which is a thin film, has almost no force to retain its shape, so it is easily deformed under the influence of temperature and humidity, and its handleability is poor.

その課題に対処した従来技術しては、ガス拡散層の外周縁部からはみ出す固体高分子電解質膜のはみ出し部に補強材料を塗布して枠体を設け、固体高分子電解質膜が変形することを防止する形状保持力を付与し、さらに補強材料としてフッ素系ゴムやシリコン系ゴムを使うことによりガス漏れを防ぐシールとしての機能を付与するものがあった(例えば、特許文献1参照)。   In the prior art that has addressed the problem, a reinforcing material is applied to the protruding portion of the solid polymer electrolyte membrane that protrudes from the outer peripheral edge of the gas diffusion layer to provide a frame, and the solid polymer electrolyte membrane is deformed. Some of them have a shape-retaining force to prevent, and further use a fluorine-based rubber or silicon-based rubber as a reinforcing material to provide a function as a seal that prevents gas leakage (see, for example, Patent Document 1).

図9a〜図9cは、特許文献1に開示された従来のMEAを示すものである。図9aは枠形状をなす補強部23が形成された固体高分子電解質膜20を示す斜視図であり、図9bは、図9aの2B−2B線の断面図であり、図9cは、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池セルの断面図である。   9a to 9c show a conventional MEA disclosed in Patent Document 1. FIG. 9a is a perspective view showing the solid polymer electrolyte membrane 20 in which the reinforcing portion 23 having a frame shape is formed, FIG. 9b is a sectional view taken along line 2B-2B of FIG. 9a, and FIG. It is sectional drawing of the fuel battery cell using a molecular electrolyte membrane.

燃料電池は、単セル10を多数積層して燃料電池スタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。   A fuel cell is used in the form of a fuel cell stack in which a large number of single cells 10 are stacked, for example, as a driving source for an automobile.

単セル10は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。単セル10は、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜20と、電極として機能する一対のガス拡散層31,32と、一対のセパレータ41,42と、を有する。   The single cell 10 is a battery that can obtain electricity in the process of obtaining water by reacting hydrogen and oxygen by utilizing the reverse principle of electrolysis of water. The single cell 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 20 as a cation exchange membrane, a pair of gas diffusion layers 31 and 32 functioning as electrodes, and a pair of separators 41 and 42.

単セル10は、固体高分子電解質膜20を、一対のガス拡散層31,32により挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ41,42により挟持して構成されている。ガス
拡散層31側のセパレータ41には、冷却水を流通させるための流路溝43と、燃料ガス(水素)を流通させるための流路溝44とが形成されている。
The single cell 10 is configured such that the solid polymer electrolyte membrane 20 is sandwiched between a pair of gas diffusion layers 31 and 32 and the outside thereof is sandwiched between a pair of separators 41 and 42. The separator 41 on the gas diffusion layer 31 side is formed with a channel groove 43 for circulating cooling water and a channel groove 44 for circulating fuel gas (hydrogen).

ガス拡散層32側のセパレータ42には、冷却水を流通させるための流路溝45と、酸化剤ガス(空気)を流通させるための流路溝46とが形成されている。流路溝43〜46の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。   The separator 42 on the gas diffusion layer 32 side is formed with a channel groove 45 for circulating cooling water and a channel groove 46 for circulating oxidant gas (air). The shape and arrangement of the channel grooves 43 to 46 need to consider gas diffusibility, pressure loss, discharge of generated water, cooling performance, and the like, and have a fine and complicated configuration.

固体高分子電解質膜20は、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜20は、その抵抗による電圧降下を抑制するため、薄膜(例えば、数十μm〜100μm程度)に形成されている。   The solid polymer electrolyte membrane 20 is a polymer membrane having a function of moving hydrogen ions. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed in a thin film (for example, about several tens of μm to 100 μm) in order to suppress a voltage drop due to its resistance.

成形された固体高分子電解質膜20は、通常、芯材にロール状に巻回した状態で保存ないし保管され、燃料電池の製造に際しては、順次繰り出されながら使用に供されている。   The formed solid polymer electrolyte membrane 20 is usually stored or stored in a state of being wound around a core material in a roll shape, and is used while being fed out sequentially when manufacturing a fuel cell.

固体高分子電解質膜20は、一対のガス拡散層31,32の間に介装される領域をなす本体部21と、ガス拡散層31,32の外周縁部からはみ出すはみ出し部22と、はみ出し部22にガス拡散層31,32の外周縁部を取り囲むように補強材料を塗布して形成される枠形状をなす補強部23と、を含んでいる。   The solid polymer electrolyte membrane 20 includes a main body portion 21 that forms a region interposed between a pair of gas diffusion layers 31 and 32, a protruding portion 22 that protrudes from the outer peripheral edge of the gas diffusion layers 31 and 32, and a protruding portion. 22 and a reinforcing portion 23 having a frame shape formed by applying a reinforcing material so as to surround the outer peripheral edge portions of the gas diffusion layers 31 and 32.

補強部23は、はみ出し部22の両面(図9bにおいて上面および下面)に形成され、断面矩形形状を有している。単セル10を組み立てる際には、本体部21は、一対のガス拡散層31,32に挟み込まれ、補強部23は、ガス拡散層31,32からはみ出して一対のセパレータ41,42の間に配置されることになる(図9cを参照)。なお、補強部23にシール機能を持たせてある。   The reinforcing portion 23 is formed on both surfaces (upper surface and lower surface in FIG. 9b) of the protruding portion 22, and has a rectangular cross section. When assembling the unit cell 10, the main body 21 is sandwiched between the pair of gas diffusion layers 31 and 32, and the reinforcing portion 23 protrudes from the gas diffusion layers 31 and 32 and is disposed between the pair of separators 41 and 42. (See FIG. 9c). Note that the reinforcing portion 23 has a sealing function.

また、補強部23は、本体部21が丸まることを防止する形状保持力を本体部21に付与する。すなわち、固体高分子電解質膜20をロール状に巻回した状態で保存している間に、本体部21には、巻き癖が付いている。また、固体高分子電解質膜20は、形状を保持する力がほとんどないため、温度や湿度の影響を受けて変形し易い。   Further, the reinforcing portion 23 gives the main body portion 21 a shape retention force that prevents the main body portion 21 from being rounded. That is, while the solid polymer electrolyte membrane 20 is stored in a state of being wound in a roll shape, the main body portion 21 has a curl. Further, since the solid polymer electrolyte membrane 20 has almost no force to maintain its shape, it is easily deformed under the influence of temperature and humidity.

一方、補強部23は、枠形状を有しているので、巻き癖によって本体部21に作用する丸まろうとする力や、温度や湿度の影響による変形力に抗することができ、本来の形状である平坦形状を保持しようとする力つまり形状保持力が強い。そして、補強部23が形状保持力を本体部21に付与する結果、本体部21が丸まったり、変形したりすることが防止される。   On the other hand, since the reinforcing portion 23 has a frame shape, the reinforcing portion 23 can withstand the force of curling the main body portion 21 due to the curl and the deformation force due to the influence of temperature and humidity. The force for holding a flat shape, that is, the shape holding force is strong. And as a result of the reinforcement part 23 providing shape retention power to the main-body part 21, it is prevented that the main-body part 21 curls or deform | transforms.

枠形状をなす補強部23は、はみ出し部22に補強材料を塗布して形成されている。ここに、補強材料としては、補強部23が形状保持力を本体部21に付与し得る限りにおいて、適宜の材料を選択することができる。補強材料には、シリコン系のゴム(ショア硬さ25以上)や、フッ素系のゴムを好適に用いることができる。速乾性を有する2液硬化型の硬化剤を用いることもできる。   The reinforcing part 23 having a frame shape is formed by applying a reinforcing material to the protruding part 22. Here, as a reinforcing material, an appropriate material can be selected as long as the reinforcing portion 23 can impart a shape retention force to the main body portion 21. As the reinforcing material, silicon rubber (Shore hardness of 25 or more) and fluorine rubber can be preferably used. A two-component curing type curing agent having quick drying properties can also be used.

特開2005−243292号公報JP-A-2005-243292

しかしながら、上記従来の構成では、精度よく補強部材を固体高分子電解質膜上に形成
することが難しく、公差を大きくとらざるを得ない。すると、GDL外周部とセパレータとシールと固体高分子電解質膜とに囲まれた部分に隙間ができて、燃料電池運転時に隙間に燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏出し、さらに漏出した燃料ガスおよび酸化剤ガスは、MEAにほとんど暴露されないまま外部に排出されることになる。
However, in the above-described conventional configuration, it is difficult to form the reinforcing member on the solid polymer electrolyte membrane with high accuracy, and a large tolerance must be taken. As a result, a gap is formed in a portion surrounded by the outer periphery of the GDL, the separator, the seal, and the solid polymer electrolyte membrane, and fuel gas and oxidant gas leak into the gap during fuel cell operation. The agent gas is discharged outside with little exposure to the MEA.

その結果、燃料ガスおよび酸化剤ガスの利用効率が低下し、PEFCの効率(発電効率)の低下を招くという課題を有していた。また、シール材料としてのフッ素系ゴムやシリコン系ゴムはコストが高く、枠体の役割も持たせるように固体高分子電解質膜のはみ出し部すべてに形成すると燃料電池コストが上がるという課題を有していた。   As a result, there has been a problem that the utilization efficiency of the fuel gas and the oxidant gas is lowered, and the efficiency (power generation efficiency) of the PEFC is lowered. In addition, fluorine rubber and silicon rubber as a sealing material are expensive, and there is a problem that the cost of the fuel cell increases if it is formed on all the protruding portions of the solid polymer electrolyte membrane so as to serve as a frame. It was.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構造で隙間を塞ぎ、材料コストだけでなく、製造プロセスも簡素化することにより、低コストで作成可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a fuel cell that can be produced at low cost by closing a gap with a simple structure and simplifying not only the material cost but also the manufacturing process. Objective.

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池であって、前記枠体は、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配設される絶縁性の繊維シートと、前記繊維シートを内包する樹脂とからなり、前記樹脂は、前記繊維シートと前記セパレータとの隙間を埋め、前記繊維シートの外周端部を覆うように形成されているという構成を有する。   In order to solve the above conventional problems, a fuel cell of the present invention includes a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of membrane electrode assemblies. A fuel cell comprising a cell having a plate-like separator and an annular frame provided on a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, the frame being sandwiched between the peripheral edges of the membrane electrode assembly Insulating fiber sheet disposed on both sides of the membrane electrode assembly so as to sandwich, and a resin containing the fiber sheet, the resin fills the gap between the fiber sheet and the separator, It has the structure that it is formed so that the outer peripheral edge part of the said fiber sheet may be covered.

本構成によって、繊維シートとセパレータ、固体高分子電解質膜、電極との間が樹脂で埋められているので、ガスの外部への漏れを抑制し、また、繊維シート入り樹脂とセパレータ、固体高分子電解質膜、電極との隙間にガスが通ってガス出口に排出されてしまうというガスの回りこみを防ぐことができる。   With this configuration, the fiber sheet and the separator, the solid polymer electrolyte membrane, and the electrode are filled with resin, so that leakage of gas to the outside is suppressed, and the fiber sheet-containing resin and separator, solid polymer It is possible to prevent gas wrap-around that gas passes through the gap between the electrolyte membrane and the electrode and is discharged to the gas outlet.

また、繊維シート入り樹脂の劣化モードとして、樹脂と繊維シートの界面から水蒸気が混入することにより、加水分解が進み劣化が加速するメカニズムが存在するが、本構成では繊維シートが樹脂に覆われているために、この劣化を抑制することができる。さらに、繊維シートが樹脂内に内包されているので、枠体としての体積と高さを確保することができ、樹脂の材料コストを抑えることもできる。   In addition, as a degradation mode of resin with fiber sheet, there is a mechanism in which water vapor enters from the interface between the resin and the fiber sheet, and thus hydrolysis proceeds and deterioration is accelerated. In this configuration, the fiber sheet is covered with resin. Therefore, this deterioration can be suppressed. Furthermore, since the fiber sheet is encapsulated in the resin, the volume and height of the frame can be secured, and the material cost of the resin can be suppressed.

また、本発明の燃料電池の製造方法は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池の製造方法であって、樹脂内に絶縁性の繊維シートを有する一対の枠片を、前記一対の枠片が前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように配置する工程と、前記一対の板状のセパレータが、前記膜電極接合体及び前記一対の枠片を挟むように配置する工程と、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に加圧し、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出す加圧工程とを有するものである。   The fuel cell manufacturing method of the present invention includes a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of plate separators sandwiching the membrane electrode assembly, A fuel cell including a cell having an annular frame provided on a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, wherein a pair of frame pieces having an insulating fiber sheet in a resin And a step of arranging the pair of plate-shaped separators so as to sandwich the membrane electrode assembly and the pair of frame pieces. And a pressurizing step of pressing what is to be the cell in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane and extruding a part of the softened resin to the outer peripheral side of the cell.

本発明の燃料電池の製造方法によると、軟化した樹脂が各部材間の隙間に入って密封することができるため、反応ガスの外部への漏れや、繊維シート入り樹脂とセパレータ、固体高分子電解質膜、電極との隙間にガスが通ってガス出口に排出されてしまうという反応ガスの回り込みを防ぐことができ、また、繊維シートの外側端部が樹脂に覆われるため、外気から樹脂と繊維の界面への水蒸気混入を防ぐことができるので、繊維入り樹脂シートの劣化を抑制することができる。   According to the method for producing a fuel cell of the present invention, since the softened resin can be sealed by entering the gaps between the members, leakage of reaction gas to the outside, resin and separator with fiber sheet, solid polymer electrolyte The gas can pass through the gap between the membrane and the electrode and can be prevented from flowing out to the gas outlet, and since the outer end of the fiber sheet is covered with resin, Since it is possible to prevent water vapor from entering the interface, deterioration of the fiber-containing resin sheet can be suppressed.

本発明によれば、簡単な構造で隙間を塞ぎ、リークのない、高性能な燃料電池を得ることができる。材料コストの低減に加えて、工数の少ない製造プロセスにより、低コストで作成可能な燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a high-performance fuel cell that closes the gap with a simple structure and does not leak. In addition to the reduction in material cost, a fuel cell that can be produced at low cost can be provided by a manufacturing process with a small number of steps.

本発明の実施の形態1における加圧前の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell before pressurization in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell after pressure hardening in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2における加圧前の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell before pressurization in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell after pressure hardening in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3における加圧前の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell before pressurization in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態3における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell after pressure-curing in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態4における加圧前の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell before pressurization in Embodiment 4 of this invention 本発明の実施の形態4における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図Sectional drawing of the fuel cell after pressure hardening in Embodiment 4 of this invention 従来の枠体付固体高分子電解質膜の斜視図A perspective view of a conventional solid polymer electrolyte membrane with a frame 従来の枠体付固体高分子電解質膜の断面図Sectional view of a conventional solid polymer electrolyte membrane with a frame 従来の燃料電池セルの断面図Cross section of conventional fuel cell

第1の発明の燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池であって、前記枠体は、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配設される絶縁性の繊維シートと、前記繊維シートを内包する樹脂とからなり、前記樹脂は、前記繊維シートと前記セパレータとの隙間を埋め、前記繊維シートの外周端部を覆うように形成されているのである。   The fuel cell of the first invention includes a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, a pair of plate separators sandwiching the membrane electrode assembly, A fuel cell including a cell having an annular frame provided at a peripheral portion of a molecular electrolyte membrane, wherein the frame body sandwiches the peripheral portion of the membrane electrode assembly. Insulating fiber sheets disposed on both sides of the fiber sheet and a resin containing the fiber sheet, the resin filling a gap between the fiber sheet and the separator, and forming an outer peripheral end of the fiber sheet. It is formed so as to cover it.

本構成によって、繊維シートとセパレータ、固体高分子電解質膜、電極との間が樹脂で埋められているので、ガスリークの外部への漏れを抑制し、また繊維シート入り樹脂とセパレータ、固体高分子電解質膜、電極との隙間を通ってガス出口に排出されてしまう回りこみを防ぐことができる。   With this configuration, the gap between the fiber sheet and the separator, the solid polymer electrolyte membrane, and the electrode is filled with resin, so that leakage of gas leak to the outside is suppressed, and the fiber sheet-containing resin and separator, solid polymer electrolyte It is possible to prevent wraparound that is discharged to the gas outlet through the gap between the membrane and the electrode.

また、繊維シート入り樹脂の劣化モードとして、樹脂と繊維シートの界面から水蒸気が混入することにより、加水分解が進み劣化が加速するメカニズムが存在するが、本構成では繊維シートが樹脂に覆われているために、この劣化を抑制することができる。また、繊維シートが樹脂内に内包されているので、枠体としての体積を稼ぐことができ、樹脂コストを抑えることもできる。   In addition, as a degradation mode of resin with fiber sheet, there is a mechanism in which water vapor enters from the interface between the resin and the fiber sheet, and thus hydrolysis proceeds and deterioration is accelerated. In this configuration, the fiber sheet is covered with resin. Therefore, this deterioration can be suppressed. Moreover, since the fiber sheet is included in the resin, the volume as a frame can be gained, and the resin cost can be suppressed.

第2の発明は、第1の発明の燃料電池における、前記セパレータに形成された少なくとも一つの凸部が前記繊維シートに当接しているのである。   In the second invention, in the fuel cell of the first invention, at least one convex portion formed on the separator is in contact with the fiber sheet.

本構成によって、この凸部が繊維シートにひっかかりセパレータに対して固定することができるので、セパレータでMEAと繊維シート入り樹脂を挟んでセパレータ上から圧縮して樹脂が流動する温度まで熱をかけても繊維シートは動くことがなく、樹脂のみが流動し繊維シートの外周端部を覆うことができ、樹脂と繊維シートの界面からの劣化を抑制することができる。   With this configuration, this convex part can be caught on the fiber sheet and fixed to the separator, so that the MEA and the fiber sheet-containing resin are sandwiched between the separators and compressed from above the separator to heat the resin to flow. However, the fiber sheet does not move, only the resin flows and the outer peripheral edge of the fiber sheet can be covered, and deterioration from the interface between the resin and the fiber sheet can be suppressed.

第3の発明は、第1の発明または第2の発明の燃料電池における前記樹脂が、前記セパレータの外周面よりも外側にはみ出ているのである。   According to a third invention, the resin in the fuel cell of the first invention or the second invention protrudes outside the outer peripheral surface of the separator.

本構成によって、セパレータと樹脂との界面から水蒸気が進入することも防ぐことができるので、樹脂と繊維シートとの界面からの劣化をより確実に抑制することができる。   Since this structure can also prevent water vapor from entering from the interface between the separator and the resin, it is possible to more reliably suppress deterioration from the interface between the resin and the fiber sheet.

第4の発明は、第1の発明から第3の発明のいずれかの燃料電池における前記枠体が、内周に向かうほど薄くなっている部分があるのである。   According to a fourth invention, there is a portion in which the frame body in the fuel cell according to any one of the first to third inventions becomes thinner toward the inner periphery.

本構成によって、外周付近での樹脂が多いので繊維シートの外周端部を確実に覆うことができ、樹脂と繊維シートの界面からの劣化を抑制することができる。   With this configuration, since there is much resin near the outer periphery, the outer peripheral end of the fiber sheet can be reliably covered, and deterioration from the interface between the resin and the fiber sheet can be suppressed.

第5の発明は、第1の発明から第3の発明のいずれかの燃料電池における前記枠体が、内周側部分の平均的な厚さが外周側部分の平均的な厚さよりも薄いのである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the average thickness of the inner peripheral portion is thinner than the average thickness of the outer peripheral portion. is there.

本構成によって、外周付近の樹脂が内周付近よりも多いので、繊維シートの外周端部を確実に覆うことができ、樹脂と繊維シートの界面からの劣化を抑制することができる。   With this configuration, since the resin near the outer periphery is larger than that near the inner periphery, the outer peripheral end of the fiber sheet can be reliably covered, and deterioration from the interface between the resin and the fiber sheet can be suppressed.

第6の発明は、第1の発明から第3の発明のいずれかの燃料電池における前記枠体が、最内周部分と最外周部分との間の部分が最も薄くなっているのである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the portion between the innermost peripheral portion and the outermost peripheral portion is the thinnest.

本構成によって、最外周部分だけでなく、最内周部分においても樹脂の量が多いので繊維シートの端部を樹脂で確実に覆うことができ、樹脂と繊維シートの界面からの劣化を抑制することができる。   With this configuration, since the amount of resin is large not only in the outermost peripheral part but also in the innermost peripheral part, the end of the fiber sheet can be reliably covered with the resin, and deterioration from the interface between the resin and the fiber sheet is suppressed. be able to.

第7の発明は、第1の発明から第6の発明のいずれかの燃料電池における前記繊維シートが、織布または不織布であるものである。   According to a seventh invention, the fiber sheet in the fuel cell according to any one of the first to sixth inventions is a woven fabric or a non-woven fabric.

本構成によって、繊維入り樹脂シートの取り扱いがし易くなる。   This configuration facilitates handling of the fiber-containing resin sheet.

第8の発明は、第1の発明から第7の発明のいずれかの燃料電池における前記繊維シートの繊維が、無機繊維であるものであり、第9の発明は、第8の発明の燃料電池における前記無機繊維が、ガラス繊維であるものである。   According to an eighth aspect of the invention, in the fuel cell according to any one of the first to seventh aspects, the fibers of the fiber sheet are inorganic fibers, and the ninth aspect is the fuel cell according to the eighth aspect. The inorganic fiber in is a glass fiber.

本構成によって、対向するセパレータ同士が接触して電気ショートを起こすのを確実に防ぐことができ、樹脂が軟化する温度環境下でも軟化せず強度を保つことができる。   With this configuration, it is possible to reliably prevent the opposing separators from contacting each other and cause an electrical short, and the strength can be maintained without being softened even in a temperature environment where the resin is softened.

第10の発明は、第1の発明から第9の発明のいずれかの燃料電池における前記樹脂が、熱硬化性樹脂を含むものである。   According to a tenth aspect, the resin in the fuel cell according to any one of the first to ninth aspects includes a thermosetting resin.

本構成によって、樹脂が溶融して隙間を埋めたり、外周部を覆ったりする最適な構成状態のまま、樹脂を硬化させることができるので最適なシール構造を保つことができる。   With this configuration, the resin can be cured in an optimal configuration state in which the resin melts to fill a gap or cover the outer peripheral portion, so that an optimal seal structure can be maintained.

第11の発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、を有するセルを含む燃料電池の製造方法であって、樹脂内に絶縁性の繊維シートを有する一対の枠片を、前記一対の枠片が前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように配置する工程と、前記一対の板状のセパレータが、前記膜電極接合体及び前記一対の枠片を挟むように配置する工程と、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に加圧し、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出す加圧工程とを有するものである。   An eleventh invention includes a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, a pair of plate separators sandwiching the membrane electrode assembly, and the polymer electrolyte membrane And a pair of frame pieces each having an insulating fiber sheet in a resin, the pair of frame pieces being the film. The step of arranging the electrode assembly so as to sandwich the peripheral edge portion, the step of arranging the pair of plate-like separators so as to sandwich the membrane electrode assembly and the pair of frame pieces, and the cell. And pressurizing in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and pressing a part of the softened resin to the outer peripheral side of the cell.

本製造方法によると、軟化した樹脂が各部材間の隙間に入って密封することができるた
め、反応ガスの外部への漏れや反応ガスの回り込みを防ぐことができ、また、繊維シートの外側端部が樹脂に覆われるため、外気から樹脂と繊維の界面への水蒸気混入を防ぐことができるので、繊維入り樹脂シートの劣化を抑制することができる。
According to this manufacturing method, since the softened resin can be sealed by entering the gaps between the members, it is possible to prevent the reaction gas from leaking to the outside and the reaction gas from flowing around, and the outer end of the fiber sheet. Since the portion is covered with the resin, it is possible to prevent water vapor from entering from the outside air to the interface between the resin and the fiber, so that deterioration of the fiber-containing resin sheet can be suppressed.

第12の発明は、第11の発明における前記セパレータが、前記セパレータにおける前記枠片と対向する面に凸部を備え、第11の発明における前記加圧工程は、前記凸部が前記繊維シートに当接し、前記繊維シートが外周側に移動することを規制しつつ、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出す工程である。   In a twelfth aspect of the invention, the separator according to the eleventh aspect includes a convex portion on a surface of the separator facing the frame piece, and the pressing step according to the eleventh aspect includes the convex portion on the fiber sheet. This is a step of pushing out a part of the softened resin to the outer peripheral side of the cell while abutting and restricting the fiber sheet from moving to the outer peripheral side.

本製造方法によると、樹脂を軟化させて加圧することにより、樹脂は外周側へ移動するが、繊維シートは凸部に引っかかって固定されて動かないため、樹脂のみが外周側に移動して確実に繊維シートの端部を樹脂の中に覆うことができる。   According to this manufacturing method, the resin moves to the outer peripheral side by softening and pressurizing the resin. However, since the fiber sheet is caught by the convex portion and fixed and does not move, only the resin moves to the outer peripheral side and surely moves. The end of the fiber sheet can be covered with resin.

第13の発明は、第11の発明または第12の発明における前記加圧工程の後に、加圧した状態で前記樹脂を硬化させる硬化工程を有するものであり、前記硬化工程では、例えば、熱硬化性樹脂を含む前記樹脂が硬化する温度に加熱して、前記樹脂を硬化させるのである。   The thirteenth invention has a curing step of curing the resin in a pressurized state after the pressing step in the eleventh or twelfth invention. In the curing step, for example, thermosetting The resin containing the functional resin is heated to a temperature at which the resin is cured to cure the resin.

本製造方法によれば、樹脂が溶融して隙間を埋めたり、外周部を覆ったりする最適な構成状態のまま、樹脂を硬化させることができるので、最適なシール構造を保つことができる。   According to this manufacturing method, since the resin can be cured in an optimal configuration state in which the resin is melted to fill a gap or cover the outer peripheral portion, an optimal seal structure can be maintained.

第14の発明は、第13の発明における前記硬化工程が、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に複数積層し、積層方向に所定の加重をかけた状態で、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出した後、前記樹脂を硬化させる工程であるものである。   In a fourteenth invention, the curing step according to the thirteenth invention is a softened state in which a plurality of the cells that become the cells are stacked in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane and a predetermined load is applied in the stacking direction. After extruding a part of the resin to the outer peripheral side of the cell, the resin is cured.

本製造方法によれば、複数のセルの加圧工程と硬化工程を同時に進めることができるので、製造時間の短縮を図ることができる。   According to this manufacturing method, since the pressurization process and the curing process of a plurality of cells can proceed simultaneously, the manufacturing time can be shortened.

第15の発明は、第13の発明または第14の発明における前記硬化工程が、熱硬化性樹脂を含む前記樹脂が硬化する温度に加熱して、前記樹脂を硬化させるものである。   In a fifteenth aspect, the curing step in the thirteenth aspect or the fourteenth aspect is performed by heating the resin including a thermosetting resin to a temperature at which the resin is cured to cure the resin.

本製造方法によれば、熱をかけるだけで樹脂を硬化させることができるので、特別な装置や材料が要らず、簡単な工程で硬化処理を行うことができる。   According to the present manufacturing method, the resin can be cured only by applying heat, so that no special device or material is required, and the curing process can be performed in a simple process.

第16の発明は、第11の発明から第15の発明のいずれかの発明における前記加圧工程が、前記樹脂が軟化状態になるように前記樹脂を加熱する工程を含むものである。   In a sixteenth aspect, the pressing step in any one of the eleventh to fifteenth aspects includes a step of heating the resin so that the resin is in a softened state.

本製造方法によれば、セパレータおよびMEAにセットするまでの常温下では硬い繊維入り樹脂シートを使うことができるので、シートの取り扱いがしやすい。   According to this manufacturing method, since the resin sheet containing hard fibers can be used at room temperature until the separator and MEA are set, the sheet is easy to handle.

第17の発明は、第11の発明から第16の発明のいずれかの発明における前記加圧工程前の前記枠片が、前記繊維シートの外周端部が樹脂で覆われていないものである。   According to a seventeenth aspect, in the frame piece before the pressurizing step in any one of the eleventh to sixteenth aspects, the outer peripheral end of the fiber sheet is not covered with a resin.

本製造方法によっても、樹脂を軟化させて樹脂を加圧して流動させることにより外周端部を樹脂で覆うことができるので、繊維端部が樹脂よりはみ出ることはなく、樹脂と繊維の界面から劣化が加速することを抑制することができる。   Even with this manufacturing method, the outer peripheral edge can be covered with the resin by softening the resin and pressurizing and flowing the resin, so that the fiber end does not protrude from the resin and deteriorates from the interface between the resin and the fiber. Can be prevented from accelerating.

第18の発明は、第11の発明から第17の発明のいずれかの発明における前記加圧工
程前の前記枠片が、前記繊維シートの外周端部が樹脂で覆われているものである。
In an eighteenth aspect of the invention, in the frame piece before the pressurizing step according to any of the eleventh aspect to the seventeenth aspect of the invention, an outer peripheral end of the fiber sheet is covered with a resin.

本製造方法によって、繊維は樹脂でより確実に覆われるので、樹脂と繊維の界面から劣化が加速することを抑制することができ、また、軟化した樹脂を加圧することにより各部材の隙間に樹脂が入り込み漏れのない燃料電池を得ることができる。   By this manufacturing method, the fibers are more reliably covered with the resin, so that the acceleration of deterioration from the interface between the resin and the fibers can be suppressed, and the resin in the gaps between the respective members by pressurizing the softened resin. Thus, a fuel cell free from leaks can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における加圧前の燃料電池セルの断面図であり、図2は本発明の実施の形態1における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell before pressurization according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell after pressure cure according to Embodiment 1 of the present invention.

図2に示すように、実施の形態1の燃料電池セル100は、電極−膜接合体(以下、MEA)1を、一対の導電性セパレータであり、冷却水流路12が形成される面とは反対側の面に燃料ガス流路が形成されるアノード側のセパレータ7aと、冷却水流路12が形成される面とは反対側の面に酸化剤ガス流路が形成されるカソード側のセパレータ7bにより挟まれた形状で一体に構成されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 100 according to Embodiment 1 includes an electrode-membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 1 that is a pair of conductive separators and a surface on which the cooling water channel 12 is formed. An anode-side separator 7a on which the fuel gas flow path is formed on the opposite surface, and a cathode-side separator 7b on which the oxidant gas flow path is formed on the surface opposite to the surface on which the cooling water flow path 12 is formed. It is configured integrally with the shape sandwiched between.

より具体的には、触媒層4a,4bとガス拡散層5a,5bとからなる電極層においては、MEA1のガス拡散層5a,5bがアノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7bの表面と当接し、アノード側のセパレータ7aのアノード側の反応ガス流路11aおよび、カソード側のセパレータ7bのカソード側の反応ガス流路11bと、MEA1のガス拡散層5a,5bとによって、それぞれのガス流路が確定される。   More specifically, in the electrode layer composed of the catalyst layers 4a and 4b and the gas diffusion layers 5a and 5b, the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1 are in contact with the surfaces of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b. In contact with each other, the anode-side reaction gas flow path 11a of the anode-side separator 7a, the cathode-side reaction gas flow path 11b of the cathode-side separator 7b, and the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1 respectively. Is confirmed.

これにより、燃料ガスはアノード側のセパレータ7a側のガス拡散層5aに、酸化剤ガスはカソード側のセパレータ7b側のガス拡散層5bにそれぞれ接触して電気化学反応を生じさせる。   As a result, the fuel gas contacts the gas diffusion layer 5a on the anode-side separator 7a side, and the oxidant gas contacts the gas diffusion layer 5b on the cathode-side separator 7b side to cause an electrochemical reaction.

アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b、およびMEA1の周縁部は、少なくとも一部に絶縁性の繊維シートを含有する樹脂から成る枠体9a,9bによりそれぞれ接着されて一体に接合されている。さらに、絶縁性の補強繊維の端部は樹脂に包まれており、繊維端部は外気に触れない構造となっている。   The anode-side separator 7a, the cathode-side separator 7b, and the peripheral edges of the MEA 1 are bonded and integrally joined by frame bodies 9a and 9b made of a resin containing an insulating fiber sheet at least partially. . Furthermore, the end part of the insulating reinforcing fiber is wrapped in resin, and the fiber end part has a structure that does not come into contact with the outside air.

上記燃料電池セルを作成する方法について、図1を用いて説明する。まず、アノード側のセパレータ7aおよびカソード側のセパレータ7bのMEA1と対向する側の面のMEA1の電極と直接接しない部分について、外周へ向かうほどセパレータ7aの平均厚みが薄くなるように、成形する。この成形は、セパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)の作成時に成形してもよいし、後から削ってもよい。   A method for producing the fuel cell will be described with reference to FIG. First, portions of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b that are not in direct contact with the electrodes of the MEA 1 on the side facing the MEA 1 are molded so that the average thickness of the separator 7a decreases toward the outer periphery. This molding may be performed when the separators (the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b) are formed, or may be shaved later.

次に、絶縁性の繊維シートを内包した樹脂、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグシートを電極周囲に配置できるような形状に切断して枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を作成し、MEA1の電極層3a,3bの周囲でかつ固体高分子電解質膜2のアノード側とカソード側の位置に配置し、MEA1と枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を1対のセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)で挟む。   Next, a resin containing an insulating fiber sheet, for example, a prepreg sheet in which a glass fiber is impregnated with an epoxy resin is cut into a shape that can be arranged around the electrode, and the frame piece (the anode side frame piece 8a, the cathode side). Frame piece 8b) and arranged around the electrode layers 3a and 3b of MEA1 and at positions on the anode side and cathode side of the solid polymer electrolyte membrane 2, and MEA1 and the frame piece (anode side frame piece 8a, The cathode-side frame piece 8b) is sandwiched between a pair of separators (anode-side separator 7a, cathode-side separator 7b).

この燃料電池セルをヒーター付の加圧装置もしくは、恒温槽内に入った加圧装置にセットして、樹脂が軟化する温度まで昇温させる。樹脂が軟化したら、燃料電池セルがその発電性能を発揮しうる圧力すなわち電極層3a,3bがセパレータ(アノード側のセパレー
タ7a、カソード側のセパレータ7b)の流路間リブ部に隙間なく接触しうる圧力がかかる所定の圧力をかけて、所定時間を置く。
This fuel cell is set in a pressurizing device with a heater or a pressurizing device in a thermostatic bath, and the temperature is raised to a temperature at which the resin softens. When the resin is softened, the pressure at which the fuel cell can exert its power generation performance, that is, the electrode layers 3a and 3b can contact the ribs between the flow paths of the separators (the anode side separator 7a and the cathode side separator 7b) without any gap. A predetermined time is applied by applying a predetermined pressure.

この間に、枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)の樹脂が流動して、枠片に接する部材との様々な隙間を埋める。例えば、セパレータと枠片との隙間、および枠片と固体高分子電解質膜との隙間などである。これにより、ガスの外部へのリークを防ぐ。また、枠片と電極とセパレータと固体高分子電解質膜との間の隙間(アノード側の隙間16a、カソード側の隙間16b)にも最内周部の樹脂が流れ込み、隙間(アノード側の隙間16a、カソード側の隙間16b)を樹脂で埋めることができる。これにより、ガスの回り込む隙間が塞がれるので、ガスの利用率の低下の少ない燃料電池を得ることができる。   During this time, the resin of the frame pieces (the anode-side frame piece 8a and the cathode-side frame piece 8b) flows to fill various gaps with the members in contact with the frame pieces. For example, there are a gap between the separator and the frame piece, and a gap between the frame piece and the solid polymer electrolyte membrane. This prevents gas from leaking outside. Further, the resin at the innermost peripheral portion flows also into the gaps (the gap 16a on the anode side and the gap 16b on the cathode side) between the frame piece, the electrode, the separator, and the solid polymer electrolyte membrane, and the gap (the gap 16a on the anode side). The gap 16b) on the cathode side can be filled with resin. As a result, the gap around which the gas flows is closed, so that it is possible to obtain a fuel cell with little reduction in the gas utilization rate.

また、セパレータの厚みが外周へ向かうほど薄くなっている部分では、外周へ向かうほど樹脂の流動できる体積が広くなっているので、樹脂が外周へ向かって流動する。流動した樹脂がセパレータ外部端面から少しはみ出て盛り上がってもよい。   Further, in the portion where the thickness of the separator becomes thinner toward the outer periphery, the volume in which the resin can flow is increased toward the outer periphery, so that the resin flows toward the outer periphery. The fluidized resin may protrude slightly from the outer end face of the separator.

次に、十分に樹脂が流動した後、所定の圧力をかけたまま樹脂が硬化する温度に設定温度を変更して所定時間を置く。この硬化温度は、樹脂の軟化温度と同じでもそれ以上でもよい。この工程により、燃料電池セル内を最良の状態で保持することができ、燃料電池セルの組み立てが完成する。   Next, after the resin has sufficiently flowed, the set temperature is changed to a temperature at which the resin is cured while a predetermined pressure is applied, and a predetermined time is set. This curing temperature may be the same as or higher than the softening temperature of the resin. By this step, the inside of the fuel cell can be held in the best condition, and the assembly of the fuel cell is completed.

このようにして、本実施の形態1の燃料電池によれば、補強繊維入り樹脂シートが、枠体とシールの役割を果たすので高価なシールを大量に使う必要もなく、樹脂が隙間に流動して隙間を塞ぐので組み立て時のずれや公差の懸念も大幅に解消することができ、簡単な工程で燃料電池セルを作成することができる。   Thus, according to the fuel cell of the first embodiment, the resin sheet containing reinforcing fibers plays the role of a frame and a seal, so there is no need to use a large amount of expensive seals, and the resin flows into the gaps. Therefore, the gaps and tolerances during assembly can be greatly eliminated, and fuel cells can be created in a simple process.

(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における加圧前の燃料電池セルの断面図であり、図4は本発明の実施の形態2における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図である。図1、図2に示す実施の形態1と同じ構成要素については同じ符号を用い、重複する説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell before pressurization according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell after pressurization curing according to Embodiment 2 of the present invention. The same reference numerals are used for the same components as those in the first embodiment shown in FIGS.

実施の形態2の燃料電池は、実施の形態1の燃料電池と比べて、ガスの回り込みをより確実に防ぐ形態となっている。   Compared with the fuel cell of Embodiment 1, the fuel cell of Embodiment 2 has a configuration that more reliably prevents gas wraparound.

図4に示すように、実施の形態2の燃料電池セル100は、電極−膜接合体(以下、MEA)1を、一対の導電性セパレータであり、燃料ガス経路を形成するアノード側のセパレータ7aと、酸化剤ガス経路を形成するカソード側のセパレータ7bにより挟まれた形状で一体に構成されている。   As shown in FIG. 4, the fuel cell 100 of the second embodiment includes an electrode-membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 1 that is a pair of conductive separators and an anode-side separator 7a that forms a fuel gas path. Are integrally formed with a shape sandwiched between cathode-side separators 7b forming an oxidant gas path.

より具体的には、電極層3a,3bにおいては、MEA1のガス拡散層5a,5bがアノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7bの表面と当接し、アノード側のセパレータ7aのアノード側の反応ガス流路11aおよび、カソード側のセパレータ7bのカソード側の反応ガス流路11bと、MEA1のガス拡散層5a,5bとによって、それぞれのガス流路が確定される。   More specifically, in the electrode layers 3a and 3b, the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1 are in contact with the surfaces of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b, and the reaction on the anode side of the anode-side separator 7a. Each gas flow path is determined by the gas flow path 11a, the reaction gas flow path 11b on the cathode side of the separator 7b on the cathode side, and the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1.

これにより、燃料ガスはアノード側のセパレータ7a側のガス拡散層5aに、酸化剤ガスはカソード側のセパレータ7b側のガス拡散層5bに、それぞれ接触して電気化学反応を生じさせる。   As a result, the fuel gas contacts the gas diffusion layer 5a on the anode-side separator 7a side, and the oxidant gas contacts the gas diffusion layer 5b on the cathode-side separator 7b side to cause an electrochemical reaction.

アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b、およびMEA1の周縁部
は、少なくとも一部に絶縁性の繊維シートを含有する樹脂から成る枠体9a,9bによりそれぞれ接着されて一体に接合されている。さらに、絶縁性の補強繊維の端部は樹脂に包まれており、繊維端部は外気に触れない構造となっている。
The anode-side separator 7a, the cathode-side separator 7b, and the peripheral edges of the MEA 1 are bonded and integrally joined by frame bodies 9a and 9b made of a resin containing an insulating fiber sheet at least partially. . Furthermore, the end part of the insulating reinforcing fiber is wrapped in resin, and the fiber end part has a structure that does not come into contact with the outside air.

上記燃料電池セルを作成する方法について、図3を用いて説明する。まず、アノード側のセパレータ7aおよびカソード側のセパレータ7bのMEA1と対向する側の面のMEA1の電極と直接接しない部分について、最内周部と最外周部との間にセパレータの厚みが最も厚くなり、内周および外周へ向かうほどセパレータ7aの平均厚みが薄くなるように、成形する。この成形は、セパレータの作成時に成形してもよいし、後から削ってもよい。   A method for producing the fuel cell will be described with reference to FIG. First, the thickness of the separator is the thickest between the innermost peripheral portion and the outermost peripheral portion of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b that are not in direct contact with the electrode of the MEA1 on the side facing the MEA1. It forms so that the average thickness of the separator 7a may become thin, so that it goes to an inner periphery and an outer periphery. This molding may be performed at the time of producing the separator or may be shaved later.

次に、絶縁性の繊維シートを内包した樹脂、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグシートを電極周囲に配置できるような形状に切断して枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を作成し、MEA1の電極層3a,3bの周囲でかつ固体高分子電解質膜2のアノード側とカソード側の位置に配置し、MEA1と枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を1対のセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)で挟む。   Next, a resin containing an insulating fiber sheet, for example, a prepreg sheet in which a glass fiber is impregnated with an epoxy resin is cut into a shape that can be arranged around the electrode, and the frame piece (the anode side frame piece 8a, the cathode side). Frame piece 8b) and arranged around the electrode layers 3a and 3b of MEA1 and at positions on the anode side and cathode side of the solid polymer electrolyte membrane 2, and MEA1 and the frame piece (anode side frame piece 8a, The cathode-side frame piece 8b) is sandwiched between a pair of separators (anode-side separator 7a, cathode-side separator 7b).

この燃料電池セルをヒーター付の加圧装置もしくは、恒温槽内に入った加圧装置にセットして、樹脂が軟化する温度まで昇温させる。樹脂が軟化したら、燃料電池セルがその発電性能を発揮しうる圧力すなわち電極層3a,3bがセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)の流路間リブ部に隙間なく接触しうる圧力がかかる所定の圧力をかけて、所定時間を置く。   This fuel cell is set in a pressurizing device with a heater or a pressurizing device in a thermostatic bath, and the temperature is raised to a temperature at which the resin softens. When the resin is softened, the pressure at which the fuel cell can exert its power generation performance, that is, the electrode layers 3a and 3b can contact the ribs between the flow paths of the separators (the anode side separator 7a and the cathode side separator 7b) without any gap. A predetermined time is applied by applying a predetermined pressure.

この間に、枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)の樹脂が流動して、枠片に接する部材との様々な隙間を埋める。例えば、セパレータと枠片との隙間、および枠片と固体高分子電解質膜との隙間などである。このことにより、ガスの外部へのリークを防ぐ。   During this time, the resin of the frame pieces (the anode-side frame piece 8a and the cathode-side frame piece 8b) flows to fill various gaps with the members in contact with the frame pieces. For example, there are a gap between the separator and the frame piece, and a gap between the frame piece and the solid polymer electrolyte membrane. This prevents leakage of gas to the outside.

また、セパレータの厚みが内周へ向かうほど薄くなっている部分では、内周へ向かうほど樹脂の流動できる体積が広くなっているので、内周へ向かって樹脂が流動することにより、枠片と電極とセパレータと固体高分子電解質膜との間の隙間(アノード側の隙間16a、カソード側の隙間16b)をより確実に樹脂で埋めることができる。   Also, in the part where the thickness of the separator is thinner toward the inner periphery, the volume of the resin that can flow is increased toward the inner periphery. The gaps between the electrode, the separator, and the solid polymer electrolyte membrane (the anode side gap 16a and the cathode side gap 16b) can be more reliably filled with the resin.

このことにより、ガスの回り込む隙間が塞がれるのでガスの利用率の低下の少ない燃料電池を得ることができる。また、セパレータの厚みが外周へ向かうほど薄くなっている部分では、外周へ向かうほど樹脂の流動できる体積が広くなっているので、樹脂が外周へ向かって流動する。流動した樹脂がセパレータ外部端面から少しはみ出て盛り上がってもよい。   As a result, the gap around which the gas flows is closed, so that it is possible to obtain a fuel cell with little reduction in gas utilization. Further, in the portion where the thickness of the separator becomes thinner toward the outer periphery, the volume in which the resin can flow is increased toward the outer periphery, so that the resin flows toward the outer periphery. The fluidized resin may protrude slightly from the outer end face of the separator.

次に、十分に樹脂が流動した後、所定の圧力をかけたまま樹脂が硬化する温度に設定温度を変更して所定時間を置く。この硬化温度は、樹脂の軟化温度と同じでもそれ以上でもよい。この工程により、燃料電池セル内を最良の状態で保持することができ、燃料電池セルの組み立てが完成する。   Next, after the resin has sufficiently flowed, the set temperature is changed to a temperature at which the resin is cured while a predetermined pressure is applied, and a predetermined time is set. This curing temperature may be the same as or higher than the softening temperature of the resin. By this step, the inside of the fuel cell can be held in the best condition, and the assembly of the fuel cell is completed.

このようにして、本実施の形態2の燃料電池によれば、補強繊維入り樹脂シートが、枠体とシールの役割を果たすので高価なシールを大量に使う必要もなく、樹脂が隙間に流動して隙間を塞ぐので組み立て時のずれや公差の懸念も大幅に解消することができ、簡単な工程で燃料電池セルを作成することができる。   Thus, according to the fuel cell of the second embodiment, the resin sheet containing reinforcing fibers plays the role of a frame and a seal, so there is no need to use a large amount of expensive seals, and the resin flows into the gaps. Therefore, the gaps and tolerances during assembly can be greatly eliminated, and fuel cells can be created in a simple process.

(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3における加圧前の燃料電池セルの断面図であり、図6は本発明の実施の形態3における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図である。図1〜図4と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a cross-sectional view of the fuel cell before pressurization according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the fuel cell after pressurization curing according to Embodiment 3 of the present invention. The same components as those in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

実施の形態3の燃料電池は、実施の形態1の燃料電池と比べて、繊維シートがより確実に樹脂の中に内包される形態となっている。   The fuel cell according to the third embodiment has a configuration in which the fiber sheet is more reliably included in the resin than the fuel cell according to the first embodiment.

図6に示すように、燃料電池セル100は、電極−膜接合体(以下、MEA)1を、一対の導電性セパレータであり、燃料ガス経路を形成するアノード側のセパレータ7aと、酸化剤ガス経路を形成するカソード側のセパレータ7bにより挟まれた形状で一体に構成されている。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 100 includes an electrode-membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 1 that is a pair of conductive separators, an anode-side separator 7a that forms a fuel gas path, and an oxidant gas. It is configured integrally with a shape sandwiched between cathode-side separators 7b forming a path.

より具体的には、電極層3a,3bにおいては、MEA1のガス拡散層5a,5bがアノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7bの表面と当接し、アノード側のセパレータ7aのアノード側の反応ガス流路11aおよび、カソード側のセパレータ7bのカソード側の反応ガス流路11bと、MEA1のガス拡散層5a,5bとによって、それぞれのガス流路が確定される。   More specifically, in the electrode layers 3a and 3b, the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1 are in contact with the surfaces of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b, and the reaction on the anode side of the anode-side separator 7a. Each gas flow path is determined by the gas flow path 11a, the reaction gas flow path 11b on the cathode side of the separator 7b on the cathode side, and the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1.

これにより、燃料ガスはアノード側のセパレータ7a側のガス拡散層5aに、酸化剤ガスはカソード側のセパレータ7b側のガス拡散層5bにそれぞれ接触して電気化学反応を生じさせる。   As a result, the fuel gas contacts the gas diffusion layer 5a on the anode-side separator 7a side, and the oxidant gas contacts the gas diffusion layer 5b on the cathode-side separator 7b side to cause an electrochemical reaction.

アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b、およびMEA1の周縁部は、少なくとも一部に絶縁性の繊維シートを含有する樹脂から成る枠体9a,9bによりそれぞれ接着されて一体に接合されている。さらに、絶縁性の補強繊維の端部は樹脂に包まれており、繊維端部は外気に触れない構造となっている。   The anode-side separator 7a, the cathode-side separator 7b, and the peripheral edges of the MEA 1 are bonded and integrally joined by frame bodies 9a and 9b made of a resin containing an insulating fiber sheet at least partially. . Furthermore, the end part of the insulating reinforcing fiber is wrapped in resin, and the fiber end part has a structure that does not come into contact with outside air.

少なくとも一部に絶縁性の補強繊維を含有する樹脂は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが耐熱温度、線膨張係数などの点で好ましく、基板材料として一般的に知られるFR−4をはじめ様々な物性を選定できるが、絶縁性の補強繊維および樹脂はこれに限るものではない。   As the resin containing at least a part of the insulating reinforcing fiber, a prepreg obtained by impregnating glass fiber with an epoxy resin is preferable in terms of heat-resistant temperature, linear expansion coefficient, etc., and FR-4 generally known as a substrate material is used. Various physical properties can be selected at first, but insulating reinforcing fibers and resins are not limited thereto.

例えば、補強繊維は、強度、厚み、線膨張係数、含有物質に応じてアラミド繊維などの他の補強繊維を用いても良く、樹脂はフェノール樹脂や、不飽和ポリウレタン樹脂、ポリウレタン樹脂などの他の熱硬化性樹脂、あるいは熱可塑姓の樹脂であっても良く、また補強繊維を含有する樹脂と他の樹脂を多層に積層した構成や、部分的に組成の異なる構成であっても良い。また、アノード面側、カソード面側それぞれで異なる構成の少なくとも一部に補強繊維を含有する樹脂を用いても良い。   For example, the reinforcing fiber may use other reinforcing fibers such as an aramid fiber depending on the strength, thickness, linear expansion coefficient, and contained material, and the resin may be other resin such as phenol resin, unsaturated polyurethane resin, polyurethane resin, etc. It may be a thermosetting resin or a thermoplastic resin, and may have a structure in which a resin containing reinforcing fibers and another resin are laminated in a multilayer structure or a partially different composition. Further, a resin containing a reinforcing fiber may be used in at least a part of a configuration different between the anode surface side and the cathode surface side.

上記燃料電池セルを作成する方法について、図5を用いて説明する。まず、アノード側のセパレータ7aおよびカソード側のセパレータ7bのMEA1と対向する側の面のMEA1の電極と直接接しない部分について、表面に凹凸ができるように、かつ外周へ向かうほどセパレータ7aの平均厚みが薄くなるように、成形する。この成形は、セパレータの作成時に成形してもよいし、後から削ってもよい。   A method for producing the fuel cell will be described with reference to FIG. First of all, the average thickness of the separator 7a toward the outer periphery of the portions of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b that are not in direct contact with the MEA1 electrodes on the side facing the MEA1 is increased toward the outer periphery. Mold so that is thin. This molding may be performed at the time of producing the separator or may be shaved later.

次に、絶縁性の繊維シートを内包した樹脂、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグシートを電極周囲に配置できるような形状に切断して枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を作成し、MEA1の電極層3a,3bの周囲でかつ固体高分子電解質膜2のアノード側とカソード側の位置に配置し、MEA1と枠片(アノ
ード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を1対のセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)で挟む。
Next, a resin containing an insulating fiber sheet, for example, a prepreg sheet in which a glass fiber is impregnated with an epoxy resin is cut into a shape that can be arranged around the electrode, and the frame piece (the anode side frame piece 8a, the cathode side). Frame piece 8b) and arranged around the electrode layers 3a and 3b of MEA1 and at positions on the anode side and cathode side of the solid polymer electrolyte membrane 2, and MEA1 and the frame piece (anode side frame piece 8a, The cathode-side frame piece 8b) is sandwiched between a pair of separators (anode-side separator 7a, cathode-side separator 7b).

この燃料電池セルをヒーター付の加圧装置もしくは、恒温槽内に入った加圧装置にセットして、樹脂が軟化する温度まで昇温させる。樹脂が軟化したら、燃料電池セルがその発電性能を発揮しうる圧力すなわち電極層3a,3bがセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)の流路間リブ部に隙間なく接触しうる圧力がかかる所定の圧力をかけて、所定時間を置く。   This fuel cell is set in a pressurizing device with a heater or a pressurizing device in a thermostatic bath, and the temperature is raised to a temperature at which the resin softens. When the resin is softened, the pressure at which the fuel cell can exert its power generation performance, that is, the electrode layers 3a and 3b can contact the ribs between the flow paths of the separators (the anode side separator 7a and the cathode side separator 7b) without any gap. A predetermined time is applied by applying a predetermined pressure.

この間に、枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)の樹脂が流動して、枠片に接する部材との様々な隙間を埋める。例えば、セパレータの凹凸と枠片との隙間、および枠片と固体高分子電解質膜との隙間などである。このことにより、ガスの外部へのリークを防ぐ。また、枠片と電極とセパレータと固体高分子電解質膜との間の隙間(アノード側の隙間16a、カソード側の隙間16b)も最内周部の樹脂が流動することにより、樹脂で埋めることができる。   During this time, the resin of the frame pieces (the anode-side frame piece 8a and the cathode-side frame piece 8b) flows to fill various gaps with the members in contact with the frame pieces. For example, the gap between the unevenness of the separator and the frame piece, and the gap between the frame piece and the solid polymer electrolyte membrane. This prevents leakage of gas to the outside. In addition, the gaps between the frame piece, the electrode, the separator, and the solid polymer electrolyte membrane (the gap 16a on the anode side and the gap 16b on the cathode side) can be filled with the resin as the innermost resin flows. it can.

このことにより、ガスの回り込む隙間が塞がれるのでガスの利用率の低下の少ない燃料電池を得ることができる。また、セパレータの厚みが外周へ向かうほど薄くなっている部分では、外周へ向かうほど樹脂の流動できる体積が広くなっているので、樹脂が外周へ向かって流動する。流動した樹脂がセパレータ外部端面から少しはみ出て盛り上がってもよい。   As a result, the gap around which the gas flows is closed, so that it is possible to obtain a fuel cell with little reduction in gas utilization. Further, in the portion where the thickness of the separator becomes thinner toward the outer periphery, the volume in which the resin can flow is increased toward the outer periphery, so that the resin flows toward the outer periphery. The fluidized resin may protrude slightly from the outer end face of the separator.

一方、セパレータ表面に形成された凸部が樹脂内部に食い込み、樹脂内部に存在するガラス繊維は凸部に引っかかるので、樹脂の流れに乗ってガラス繊維が移動することを抑制する効果がある。   On the other hand, since the convex part formed in the separator surface bites into resin inside and the glass fiber which exists in resin inside is caught in a convex part, there exists an effect which suppresses that a glass fiber moves on the flow of resin.

ここで、ガラス繊維は、織布であっても不織布であってもよいが、凸部に引っかかった時に、織布の方が織布全体を固定する力が強い。また、織布の方が、繊維が膜に垂直な方向に伸びて膜を突き刺す懸念が少ない。このようにして、樹脂内部に存在するガラス繊維の端部を樹脂により確実に覆うことができ、繊維と樹脂との界面から起こる劣化を防ぐことができる。   Here, the glass fiber may be a woven fabric or a non-woven fabric, but the woven fabric has a stronger force for fixing the entire woven fabric when caught by the convex portion. In addition, the woven fabric is less likely to pierce the membrane by the fibers extending in the direction perpendicular to the membrane. Thus, the edge part of the glass fiber which exists in resin inside can be reliably covered with resin, and the deterioration which arises from the interface of a fiber and resin can be prevented.

次に、十分に樹脂が流動した後、所定の圧力をかけたまま樹脂が硬化する温度に設定温度を変更して所定時間を置く。この硬化温度は、樹脂の軟化温度と同じでもそれ以上でもよい。この工程により、燃料電池セル内を最良の状態で保持することができ、燃料電池セルの組み立てが完成する。   Next, after the resin has sufficiently flowed, the set temperature is changed to a temperature at which the resin is cured while a predetermined pressure is applied, and a predetermined time is set. This curing temperature may be the same as or higher than the softening temperature of the resin. By this step, the inside of the fuel cell can be held in the best condition, and the assembly of the fuel cell is completed.

このようにして、本実施の形態3の燃料電池によれば、補強繊維入り樹脂シートが、枠体とシールの役割を果たすので高価なシールを大量に使う必要もなく、樹脂が隙間に流動して隙間を塞ぐので組み立て時のずれや公差の懸念も大幅に解消することができ、簡単な工程で燃料電池セルを作成することができる。   Thus, according to the fuel cell of the third embodiment, the resin sheet containing reinforcing fibers plays a role of a frame and a seal, so there is no need to use a large amount of expensive seals, and the resin flows into the gaps. Therefore, the gaps and tolerances during assembly can be greatly eliminated, and fuel cells can be created in a simple process.

(実施の形態4)
図7は、本発明の実施の形態4における加圧前の燃料電池セルの断面図であり、図8は本発明の実施の形態4における加圧硬化後の燃料電池セルの断面図である。図1〜図6と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell before pressurization according to Embodiment 4 of the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the fuel cell after pressurization curing according to Embodiment 4 of the present invention. The same components as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

実施の形態4の燃料電池は、実施の形態1の燃料電池と比べて、ガスの回り込みをより確実に防ぎ、繊維シートがより確実に樹脂の中に内包される形態となっている。   Compared with the fuel cell of Embodiment 1, the fuel cell of Embodiment 4 is configured to prevent the gas from wrapping around more reliably and to enclose the fiber sheet in the resin more reliably.

図8に示すように、実施の形態4の燃料電池セル100は、電極−膜接合体(以下、MEA)1を、一対の導電性セパレータであり、燃料ガス経路を形成するアノード側のセパレータ7aと、酸化剤ガス経路を形成するカソード側のセパレータ7bにより挟まれた形状で一体に構成されている。   As shown in FIG. 8, the fuel cell 100 of the fourth embodiment includes an electrode-membrane assembly (hereinafter referred to as MEA) 1 that is a pair of conductive separators and an anode-side separator 7a that forms a fuel gas path. Are integrally formed with a shape sandwiched between cathode-side separators 7b forming an oxidant gas path.

より具体的には、電極層3a,3bにおいては、MEA1のガス拡散層5a,5bがアノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7bの表面と当接し、アノード側のセパレータ7aのアノード側の反応ガス流路11aおよび、カソード側のセパレータ7bのカソード側の反応ガス流路11bと、MEA1のガス拡散層5a,5bとによって、それぞれのガス流路が確定される。   More specifically, in the electrode layers 3a and 3b, the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1 are in contact with the surfaces of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b, and the reaction on the anode side of the anode-side separator 7a. Each gas flow path is determined by the gas flow path 11a, the reaction gas flow path 11b on the cathode side of the separator 7b on the cathode side, and the gas diffusion layers 5a and 5b of the MEA 1.

これにより、燃料ガスはアノード側のセパレータ7a側のガス拡散層5aに、酸化剤ガスはカソード側のセパレータ7b側のガス拡散層5bに、それぞれ接触して電気化学反応を生じさせる。   As a result, the fuel gas contacts the gas diffusion layer 5a on the anode-side separator 7a side, and the oxidant gas contacts the gas diffusion layer 5b on the cathode-side separator 7b side to cause an electrochemical reaction.

アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b、およびMEA1の周縁部は、少なくとも一部に絶縁性の繊維シートを含有する樹脂から成る枠体9a,9bによりそれぞれ接着されて一体に接合されている。さらに、絶縁性の補強繊維の端部は樹脂に包まれており、繊維端部は外気に触れない構造となっている。   The anode-side separator 7a, the cathode-side separator 7b, and the peripheral edges of the MEA 1 are bonded and integrally joined by frame bodies 9a and 9b made of a resin containing an insulating fiber sheet at least partially. . Furthermore, the end part of the insulating reinforcing fiber is wrapped in resin, and the fiber end part has a structure that does not come into contact with the outside air.

上記燃料電池セルを作成する方法について、図7を用いて説明する。まず、アノード側のセパレータ7aおよびカソード側のセパレータ7bのMEA1と対向する側の面のMEA1の電極と直接接しない部分について、表面に凹凸ができるように、かつ最内周部と最外周部との間にセパレータの厚みが最も厚くなり、内周および外周へ向かうほどセパレータ7aの平均厚みが薄くなるように、成形する。この成形はセパレータの作成時に成形してもよいし、後から削ってもよい。   A method for producing the fuel cell will be described with reference to FIG. First, the portions of the anode-side separator 7a and the cathode-side separator 7b that are not in direct contact with the electrodes of the MEA 1 on the side facing the MEA 1 are provided with irregularities on the surface, and the innermost and outermost portions The separator is formed so that the thickness of the separator becomes the largest during this period, and the average thickness of the separator 7a becomes thinner toward the inner periphery and the outer periphery. This molding may be performed at the time of producing the separator or may be shaved later.

次に、絶縁性の繊維シートを内包した樹脂、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグシートを電極周囲に配置できるような形状に切断して枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を作成し、MEA1の電極層3a,3bの周囲でかつ固体高分子電解質膜2のアノード側とカソード側の位置に配置し、MEA1と枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)を1対のセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)で挟む。   Next, a resin containing an insulating fiber sheet, for example, a prepreg sheet in which a glass fiber is impregnated with an epoxy resin is cut into a shape that can be arranged around the electrode, and the frame piece (the anode side frame piece 8a, the cathode side). Frame piece 8b) and arranged around the electrode layers 3a and 3b of MEA1 and at positions on the anode side and cathode side of the solid polymer electrolyte membrane 2, and MEA1 and the frame piece (anode side frame piece 8a, The cathode-side frame piece 8b) is sandwiched between a pair of separators (anode-side separator 7a, cathode-side separator 7b).

この燃料電池セルをヒーター付の加圧装置もしくは、恒温槽内に入った加圧装置にセットして、樹脂が軟化する温度まで昇温させる。樹脂が軟化したら、燃料電池セルがその発電性能を発揮しうる圧力すなわち電極層3a,3bがセパレータ(アノード側のセパレータ7a、カソード側のセパレータ7b)の流路間リブ部に隙間なく接触しうる圧力がかかる所定の圧力をかけて、所定時間を置く。   This fuel cell is set in a pressurizing device with a heater or a pressurizing device in a thermostatic bath, and the temperature is raised to a temperature at which the resin softens. When the resin is softened, the pressure at which the fuel cell can exert its power generation performance, that is, the electrode layers 3a and 3b can contact the ribs between the flow paths of the separators (the anode side separator 7a and the cathode side separator 7b) without any gap. A predetermined time is applied by applying a predetermined pressure.

この間に、枠片(アノード側の枠片8a、カソード側の枠片8b)の樹脂が流動して、枠片に接する部材との様々な隙間を埋める。例えば、セパレータの凹凸と枠片との隙間、および枠片と固体高分子電解質膜との隙間などである。   During this time, the resin of the frame pieces (the anode-side frame piece 8a and the cathode-side frame piece 8b) flows to fill various gaps with the members in contact with the frame pieces. For example, the gap between the unevenness of the separator and the frame piece, and the gap between the frame piece and the solid polymer electrolyte membrane.

このことにより、ガスの外部へのリークを防ぐ。また、セパレータの厚みが内周へ向かうほど薄くなっている部分では、内周へ向かうほど樹脂の流動できる体積が広くなっているので、内周へ向かって樹脂が流動することにより、枠片と電極とセパレータと固体高分子電解質膜との間の隙間(アノード側の隙間16a、カソード側の隙間16b)をより確実に樹脂で埋めることができる。   This prevents leakage of gas to the outside. Also, in the part where the thickness of the separator is thinner toward the inner periphery, the volume of the resin that can flow is increased toward the inner periphery. The gaps between the electrode, the separator, and the solid polymer electrolyte membrane (the anode side gap 16a and the cathode side gap 16b) can be more reliably filled with the resin.

このことにより、ガスの回り込む隙間が塞がれるのでガスの利用率の低下の少ない燃料電池を得ることができる。また、セパレータの厚みが外周へ向かうほど薄くなっている部分では、外周へ向かうほど樹脂の流動できる体積が広くなっているので、樹脂が外周へ向かって流動する。流動した樹脂がセパレータ外部端面から少しはみ出て盛り上がってもよい。   As a result, the gap around which the gas flows is closed, so that it is possible to obtain a fuel cell with little reduction in gas utilization. Further, in the portion where the thickness of the separator becomes thinner toward the outer periphery, the volume in which the resin can flow is increased toward the outer periphery, so that the resin flows toward the outer periphery. The fluidized resin may protrude slightly from the outer end face of the separator.

一方、セパレータ表面に形成された凸部が樹脂内部に食い込み、樹脂内部に存在するガラス繊維は凸部に引っかかるので、樹脂の流れに乗ってガラス繊維が移動することを抑制する効果がある。   On the other hand, since the convex part formed in the separator surface bites into resin inside and the glass fiber which exists in resin inside is caught in a convex part, there exists an effect which suppresses that a glass fiber moves on the flow of resin.

ここで、ガラス繊維は、織布であっても不織布であってもよいが、凸部に引っかかった時に、織布の方が織布全体を固定する力が強い。また、織布の方が、繊維が膜に垂直な方向に伸びて膜を突き刺す懸念が少ない。このようにして、樹脂内部に存在するガラス繊維の端部を樹脂により確実に覆うことができ、繊維と樹脂との界面から起こる劣化を防ぐことができる。   Here, the glass fiber may be a woven fabric or a non-woven fabric, but the woven fabric has a stronger force for fixing the entire woven fabric when caught by the convex portion. In addition, the woven fabric is less likely to pierce the membrane by the fibers extending in the direction perpendicular to the membrane. Thus, the edge part of the glass fiber which exists in resin inside can be reliably covered with resin, and the deterioration which arises from the interface of a fiber and resin can be prevented.

次に、十分に樹脂が流動した後、所定の圧力をかけたまま樹脂が硬化する温度に設定温度を変更して所定時間を置く。この硬化温度は、樹脂の軟化温度と同じでもそれ以上でもよい。この工程により、燃料電池セル内を最良の状態で保持することができ、燃料電池セルの組み立てが完成する。   Next, after the resin has sufficiently flowed, the set temperature is changed to a temperature at which the resin is cured while a predetermined pressure is applied, and a predetermined time is set. This curing temperature may be the same as or higher than the softening temperature of the resin. By this step, the inside of the fuel cell can be held in the best condition, and the assembly of the fuel cell is completed.

このようにして、本実施の形態4の燃料電池によれば、補強繊維入り樹脂シートが、枠体とシールの役割を果たすので高価なシールを大量に使う必要もなく、樹脂が隙間に流動して隙間を塞ぐので組み立て時のずれや公差の懸念も大幅に解消することができ、簡単な工程で燃料電池セルを作成することができる。   Thus, according to the fuel cell of the fourth embodiment, the resin sheet containing reinforcing fibers plays the role of a frame and a seal, so there is no need to use a large amount of expensive seals, and the resin flows into the gaps. Therefore, the gaps and tolerances during assembly can be greatly eliminated, and fuel cells can be created in a simple process.

以上のように、本発明は、簡単な構造で隙間を塞ぎ、リークのない、性能の高い燃料電池を得ることができ、材料コストだけでなく、工数の少ない製造プロセスにより、低コストで作成することが可能となるので、固体高分子形燃料電池用の燃料電池セルの作成に適用できる。   As described above, the present invention can provide a high-performance fuel cell that closes the gap with a simple structure and does not leak, and is manufactured at a low cost not only by the material cost but also by a manufacturing process with a small number of steps. Therefore, it can be applied to the production of a fuel cell for a polymer electrolyte fuel cell.

1 MEA
2 固体高分子電解質膜
3a,3b 電極層
4a,4b 触媒層
5a,5b ガス拡散層
7a,7b セパレータ
8a,8b 枠片
9a,9b 枠体
11a,11b 反応ガス流路
16a,16b 隙間
1 MEA
2 Solid polymer electrolyte membrane 3a, 3b Electrode layer 4a, 4b Catalyst layer 5a, 5b Gas diffusion layer 7a, 7b Separator 8a, 8b Frame piece 9a, 9b Frame body 11a, 11b Reaction gas flow path 16a, 16b Gap

Claims (18)

高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、
前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、
を有するセルを含む燃料電池であって、
前記枠体は、前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配設される絶縁性の繊維シートと、前記繊維シートを内包する樹脂とからなり、
前記樹脂は、前記繊維シートと前記セパレータとの隙間を埋め、前記繊維シートの外周端部を覆うように形成されている、
燃料電池。
A polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and
A pair of plate-like separators sandwiching the membrane electrode assembly;
An annular frame provided on a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane;
A fuel cell comprising a cell having
The frame body is composed of an insulating fiber sheet disposed on both sides of the membrane electrode assembly so as to sandwich a peripheral edge portion of the membrane electrode assembly, and a resin containing the fiber sheet,
The resin is formed so as to fill a gap between the fiber sheet and the separator and cover an outer peripheral end of the fiber sheet.
Fuel cell.
前記セパレータに形成された少なくとも一つの凸部が前記繊維シートに当接している、請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein at least one convex portion formed on the separator is in contact with the fiber sheet. 前記樹脂が、前記セパレータの外周面によりも外側にはみ出ている、
請求項1または2に記載の燃料電池。
The resin protrudes outward from the outer peripheral surface of the separator,
The fuel cell according to claim 1 or 2.
前記枠体は、内周に向かうほど薄くなっている部分がある、
請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池。
The frame body has a portion that is thinner toward the inner periphery,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
前記枠体は、内周側部分の平均的な厚さが外周側部分の平均的な厚さよりも薄い、
請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池。
In the frame, the average thickness of the inner peripheral side portion is thinner than the average thickness of the outer peripheral side portion.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
前記枠体は、最内周部分と最外周部分との間の部分が最も薄くなっている、
請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池。
The frame has the thinnest part between the innermost peripheral part and the outermost peripheral part,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
前記繊維シートは、織布または不織布である、
請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池。
The fiber sheet is a woven fabric or a nonwoven fabric.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
前記繊維シートの繊維は、無機繊維である、
請求項1から7のいずれか1項に記載の燃料電池。
The fibers of the fiber sheet are inorganic fibers.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 7.
前記無機繊維は、ガラス繊維である、
請求項8に記載の燃料電池。
The inorganic fiber is a glass fiber.
The fuel cell according to claim 8.
前記樹脂は、熱硬化性樹脂を含む
請求項1から9のいずれか1項に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein the resin includes a thermosetting resin.
高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極層を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟む一対の板状のセパレータと、
前記高分子電解質膜の周縁部に設けられる環状の枠体と、
を有するセルを含む
燃料電池の製造方法であって、
樹脂内に絶縁性の繊維シートを有する一対の枠片を、前記一対の枠片が前記膜電極接合体の周縁部を間に挟むように配置する工程と、
前記一対の板状のセパレータが、前記膜電極接合体及び前記一対の枠片を挟むように配置する工程と、
前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に加圧し、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出す加圧工程と、
を有する、燃料電池の製造方法。
A polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane, and
A pair of plate-like separators sandwiching the membrane electrode assembly;
An annular frame provided on a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane;
A method of manufacturing a fuel cell including a cell having the following:
Arranging a pair of frame pieces having an insulating fiber sheet in the resin so that the pair of frame pieces sandwich the peripheral edge of the membrane electrode assembly,
Arranging the pair of plate-like separators so as to sandwich the membrane electrode assembly and the pair of frame pieces;
Pressurizing the cell in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and pressurizing a part of the softened resin to the outer peripheral side of the cell;
A method for producing a fuel cell, comprising:
前記セパレータは、前記セパレータにおける前記枠片と対向する面に凸部を備え、
前記加圧工程は、前記凸部が前記繊維シートに当接し、前記繊維シートが外周側に移動することを規制しつつ、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出す工程である、請求項11に記載の燃料電池の製造方法。
The separator includes a convex portion on a surface of the separator facing the frame piece,
The pressurizing step is a step of extruding a part of the resin in the softened state to the outer peripheral side of the cell while restricting the convex portion from contacting the fiber sheet and moving the fiber sheet to the outer peripheral side. The method for producing a fuel cell according to claim 11.
前記加圧工程の後、加圧した状態で前記樹脂を硬化させる硬化工程を有する、請求項11または請求項12に記載の燃料電池の製造方法。   The method for manufacturing a fuel cell according to claim 11, further comprising a curing step of curing the resin in a pressurized state after the pressurizing step. 前記硬化工程は、前記セルになるものを前記高分子電解質膜の厚み方向に複数積層し、積層方向に所定の加重をかけた状態で、軟化状態の前記樹脂の一部を前記セルの外周側に押し出した後、前記樹脂を硬化させる工程である、請求項13に記載の燃料電池の製造方法。   In the curing step, a plurality of the cells to be the cells are stacked in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and a part of the resin in the softened state is applied to the outer peripheral side of the cells in a state where a predetermined load is applied in the stacking direction. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 13, wherein the resin is cured after being extruded. 前記硬化工程では、熱硬化性樹脂を含む前記樹脂が硬化する温度に加熱して、前記樹脂を硬化させる、請求項13又は14に記載の燃料電池の製造方法。   The method for manufacturing a fuel cell according to claim 13 or 14, wherein, in the curing step, the resin including a thermosetting resin is heated to a temperature at which the resin is cured to cure the resin. 前記加圧工程は、前記樹脂が軟化状態になるように前記樹脂を加熱する工程を含む、請求項11から15のいずれか1項に記載の燃料電池の製造方法。   The fuel cell manufacturing method according to claim 11, wherein the pressurizing step includes a step of heating the resin so that the resin is in a softened state. 前記加圧工程前の前記枠片は、前記繊維シートの外周端部が樹脂で覆われていない、請求項11から16のいずれか1項に記載の燃料電池の製造方法。   The method of manufacturing a fuel cell according to any one of claims 11 to 16, wherein the frame piece before the pressurizing step has an outer peripheral end portion of the fiber sheet not covered with a resin. 前記加圧工程前の前記枠片は、前記繊維シートの外周端部が樹脂で覆われている、請求項11から17のいずれか1項に記載の燃料電池の製造方法。   18. The fuel cell manufacturing method according to claim 11, wherein an outer peripheral end of the fiber sheet is covered with a resin in the frame piece before the pressurizing step.
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