JP2017050206A - Fuel cell - Google Patents

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秀忠 小嶋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell that, in particular, can further simplify the constitution thereof and also can be manufactured economically.SOLUTION: A power generation cell 10 sandwiches an MEA 12 having a resin frame by a first metal separator 14 and a second metal separator 16. The MEA 12 having a resin frame fixes an electrolyte membrane-electrode structure 12a and a resin frame member 54 by adhesion. The first metal separator 14 is provided with an inlet buffer section 26a contiguous to an inlet side end of an oxidant gas passage 24. In a bridge section 56a of the resin frame member 54, an oxidant gas inlet coupling passage 58a coupling an oxidant gas inlet communication hole 18a and the inlet buffer section 26a is formed.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、樹脂枠付きMEAの両側にセパレータが積層される燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which separators are stacked on both sides of an MEA with a resin frame.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層(電極触媒層)とガス拡散層(多孔質カーボン)とを有している。   In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. Yes. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon).

電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)を構成している。この発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell (unit fuel cell) by being sandwiched between separators (bipolar plates). The power generation cells are used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by being stacked in a predetermined number.

電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差MEAを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、種々の提案がなされている。   In the electrolyte membrane / electrode structure, one gas diffusion layer is set to a plane size smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane, and the other gas diffusion layer is set to the same plane size as the solid polymer electrolyte membrane. In other words, a so-called step MEA may be formed. At that time, various proposals have been made to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the solid polymer electrolyte membrane having a thin film shape and low strength.

例えば、特許文献1に開示されている燃料電池では、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられた樹脂枠付きMEAが採用されている。この燃料電池では、樹脂枠部材の一方の面には、発電領域外に位置して一方の反応ガス流路に連結される第1のバッファ部が形成されている。そして、樹脂枠部材の他方の面には、発電領域外に位置して他方の反応ガス流路に連結され、第1のバッファ部とは個別に構成される第2のバッファ部が形成されている。   For example, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, an MEA with a resin frame in which a resin frame member is provided around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane is employed. In this fuel cell, a first buffer portion that is located outside the power generation region and is connected to one reaction gas flow path is formed on one surface of the resin frame member. On the other surface of the resin frame member, there is formed a second buffer portion that is located outside the power generation region and connected to the other reaction gas flow path, and is configured separately from the first buffer portion. Yes.

このため、樹脂枠部材の両面には、それぞれ所望の形状を有する第1のバッファ部と第2のバッファ部とを個別に形成することができる。従って、第1の反応ガス流路及び第2の反応ガス流路には、それぞれ反応ガスを円滑に流通させることができる、としている。   For this reason, the 1st buffer part and 2nd buffer part which each have a desired shape can be formed in the both surfaces of a resin frame member separately. Therefore, the reaction gas can be smoothly circulated through the first reaction gas channel and the second reaction gas channel, respectively.

特開2013−201085号公報JP 2013-201085 A

本発明は、この種の樹脂枠付きMEAを設ける燃料電池に関連してなされたものであり、特に構成を一層簡素化させることができ、経済的に製造することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in connection with a fuel cell provided with this type of MEA with a resin frame, and particularly provides a fuel cell that can be further simplified in construction and can be manufactured economically. For the purpose.

本発明に係る燃料電池は、樹脂枠付きMEAと、前記樹脂枠付きMEAの外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該樹脂枠付きMEAの両側に積層されるセパレータと、を備えている。樹脂枠付きMEAは、固体高分子電解質膜の一方の面に第1電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第2電極が設けられるとともに、前記第1電極の平面寸法は、前記第2電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差MEAを有している。段差MEAには、固体高分子電解質膜の外周を周回して樹脂枠部材が設けられている。   The fuel cell according to the present invention includes an MEA with a resin frame, and separators that have an outer dimension larger than the outer dimension of the MEA with a resin frame and are stacked on both sides of the MEA with a resin frame. In the MEA with a resin frame, the first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, the second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimension of the first electrode is And a step MEA set to a size larger than the planar size of the second electrode. The step MEA is provided with a resin frame member around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane.

セパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連なるバッファ部と、が形成されている。セパレータには、さらに反応ガスを樹脂枠付きMEAとセパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、バッファ部と前記反応ガス連通孔との間に設けられる平坦状の連結部と、が形成されている。   The separator is formed with a reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the electrode surface, and a buffer portion connected to the reaction gas flow path. The separator is further formed with a reaction gas communication hole for allowing the reaction gas to flow in the stacking direction of the MEA with a resin frame and the separator, and a flat connection part provided between the buffer part and the reaction gas communication hole. Has been.

一方、樹脂枠部材には、連結部に当接するブリッジ部に、反応ガス連通孔とバッファ部とを連結する連結流路が形成されるとともに、前記樹脂枠部材は、両面に当接するセパレータと接着剤により接合されてなる。   On the other hand, the resin frame member is formed with a connection flow path for connecting the reaction gas communication hole and the buffer portion at the bridge portion that contacts the connection portion, and the resin frame member is bonded to the separator that contacts both surfaces. It is joined by an agent.

また、この燃料電池では、樹脂枠部材は、段差MEAの外周端部を覆う断面コ字状を有することが好ましい。その際、樹脂枠部材の一方の面には、一方の反応ガスである燃料ガスを流通させる燃料ガス連結流路が連結流路として形成されてなる。樹脂枠部材の他方の面には、他方の反応ガスである酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連結流路が連結流路として形成されてなる。   Moreover, in this fuel cell, it is preferable that the resin frame member has a U-shaped cross section that covers the outer peripheral end of the step MEA. At that time, a fuel gas connection flow path through which fuel gas, which is one of the reaction gases, flows is formed as a connection flow path on one surface of the resin frame member. On the other surface of the resin frame member, an oxidant gas connection channel for allowing an oxidant gas as the other reaction gas to flow is formed as a connection channel.

本発明によれば、セパレータには、バッファ部が設けられる一方、樹脂枠部材のブリッジ部には、反応ガス連通孔と前記バッファ部とを連結する連結流路が形成されている。従って、樹脂枠部材には、バッファ部を設けることがないため、前記樹脂枠部材において、荷重増等により前記バッファ部に偏力が作用するという現象が惹起することがない。   According to the present invention, the separator is provided with the buffer portion, and the connecting channel for connecting the reaction gas communication hole and the buffer portion is formed in the bridge portion of the resin frame member. Therefore, since the buffer portion is not provided on the resin frame member, a phenomenon that bias force acts on the buffer portion due to an increase in load or the like does not occur in the resin frame member.

これにより、樹脂枠部材に割れが惹起したり、クロスリーク等の性能低下が発生したりすることを、確実に抑制することが可能になる。このため、特に燃料電池全体の構成を一層簡素化させることができ、前記燃料電池を経済的に製造することが可能になる。   As a result, it is possible to reliably suppress the occurrence of cracks in the resin frame member and the occurrence of performance degradation such as cross leak. For this reason, especially the structure of the whole fuel cell can be further simplified, and it becomes possible to manufacture the said fuel cell economically.

本発明の実施形態に係る発電セルの要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the power generation cell which concerns on embodiment of this invention. 前記発電セルの、図1中、II−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of the said electric power generation cell in FIG. 前記発電セルを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said electric power generation cell. 前記発電セルを構成する樹脂枠付きMEAの正面説明図である。It is front explanatory drawing of MEA with a resin frame which comprises the said electric power generation cell. 前記発電セルの、図1中、V−V線断面図である。It is the VV sectional view taken on the line of the said electric power generation cell in FIG. 前記発電セルの、図1中、VI−VI線断面図である。It is the VI-VI sectional view taken on the line of the said electric power generation cell in FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る発電セル(燃料電池)10は、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。   As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of power generation cells (fuel cells) 10 according to an embodiment of the present invention are stacked in, for example, an arrow A direction (horizontal direction) or an arrow C direction (gravity direction). Configure the stack. The fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle (not shown) as an in-vehicle fuel cell stack.

発電セル10は、樹脂枠付きMEA(樹脂枠付き電解質膜・電極構造体)12を第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16で挟持する。第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有するとともに、樹脂枠付きMEA12の外形寸法よりも大きな外形寸法を有する(図1参照)。   In the power generation cell 10, a MEA with resin frame (electrolyte membrane / electrode structure with resin frame) 12 is sandwiched between a first metal separator 14 and a second metal separator 16. The first metal separator 14 and the second metal separator 16 have a horizontally long (or vertically long) rectangular shape and an outer dimension larger than the outer dimension of the MEA 12 with a resin frame (see FIG. 1).

第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板をプレス成形して断面が凹凸に構成される。なお、第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16に代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。   For example, the first metal separator 14 and the second metal separator 16 are formed by pressing a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal thin plate having a surface treatment for anticorrosion applied to the metal surface. Configured. For example, a carbon separator may be used instead of the first metal separator 14 and the second metal separator 16.

第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16の長辺方向である矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向(積層方向)に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔18aは、酸化剤ガス(他方の反応ガス)、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス出口連通孔20bは、燃料ガス(一方の反応ガス)、例えば、水素含有ガスを排出する。   One end edge of the first metal separator 14 and the second metal separator 16 in the direction of arrow B, which is the long side direction, communicates with each other in the direction of arrow A (stacking direction), and the oxidant gas inlet communication hole 18a and the fuel gas. An outlet communication hole 20b is provided. The oxidant gas inlet communication hole 18a supplies an oxidant gas (the other reaction gas), for example, an oxygen-containing gas. The fuel gas outlet communication hole 20b discharges fuel gas (one reaction gas), for example, a hydrogen-containing gas.

第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bが、矢印C方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔20aは、燃料ガスを供給し、酸化剤ガス出口連通孔18bは、酸化剤ガスを排出する。   The other end edge of the first metal separator 14 and the second metal separator 16 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas inlet communication hole 20a and an oxidant gas outlet communication hole 18b are provided in the arrow C direction. Arranged in the direction. The fuel gas inlet communication hole 20a supplies fuel gas, and the oxidant gas outlet communication hole 18b discharges oxidant gas.

第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔18a側に、矢印A方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22aが上下に設けられる。第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔20a側に、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22bが上下に設けられる。   The cooling medium is supplied to both edge portions in the short side direction (arrow C direction) of the first metal separator 14 and the second metal separator 16 in the direction of arrow A toward the oxidant gas inlet communication hole 18a. Cooling medium inlet communication holes 22a are provided vertically. At both ends of the first metal separator 14 and the second metal separator 16 in the short side direction, cooling medium outlet communication holes 22b for discharging the cooling medium are provided vertically on the fuel gas inlet communication hole 20a side.

図3に示すように、第1金属セパレータ14の樹脂枠付きMEA12に向かう面14aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路24が形成される。酸化剤ガス流路24は、互いに並列する複数本の波状流路溝(直線状流路溝でもよい)24aを有する。   As shown in FIG. 3, for example, an oxidant gas flow path 24 extending in the direction of arrow B is formed on the surface 14 a of the first metal separator 14 facing the MEA 12 with a resin frame. The oxidant gas flow path 24 has a plurality of wave-shaped flow path grooves (or linear flow path grooves) 24a arranged in parallel with each other.

酸化剤ガス流路24の入口側端部には、発電領域外に位置して入口バッファ部26aが連なる一方、前記酸化剤ガス流路24の出口側端部には、発電領域外に位置して出口バッファ部26bが連なる。入口バッファ部26a及び出口バッファ部26bは、それぞれ複数個のエンボスを有するが、前記エンボスとともに、又は該エンボスに代えて、複数本のライン状凸部を有してもよい。   The inlet side buffer 26a is located outside the power generation region at the inlet side end of the oxidant gas flow channel 24, while the outlet side end of the oxidant gas flow channel 24 is located outside the power generation region. The outlet buffer unit 26b is continuous. Each of the inlet buffer portion 26a and the outlet buffer portion 26b has a plurality of embosses, but may have a plurality of line-shaped convex portions together with or instead of the embosses.

面14aには、入口バッファ部26aと酸化剤ガス入口連通孔18aとの間に位置して平坦状の入口連結部28aが設けられる。面14aには、出口バッファ部26bと酸化剤ガス出口連通孔18bとの間に位置して平坦状の出口連結部28bが設けられる。   The surface 14a is provided with a flat inlet coupling portion 28a located between the inlet buffer portion 26a and the oxidant gas inlet communication hole 18a. The surface 14a is provided with a flat outlet connecting portion 28b located between the outlet buffer portion 26b and the oxidizing gas outlet communication hole 18b.

図1に示すように、第2金属セパレータ16の樹脂枠付きMEA12に向かう面16aには、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路32が設けられる。燃料ガス流路32は、互いに並列する複数本の波状流路溝(直線状流路溝でもよい)32aを有する。   As shown in FIG. 1, for example, a fuel gas passage 32 extending in the direction of arrow B is provided on the surface 16 a of the second metal separator 16 facing the MEA 12 with a resin frame. The fuel gas flow path 32 has a plurality of wavy flow path grooves (or straight flow path grooves) 32a arranged in parallel with each other.

燃料ガス流路32の入口側端部には、発電領域外に位置して入口バッファ部34aが連なる一方、前記燃料ガス流路32の出口側端部には、発電領域外に位置して出口バッファ部34bが連なる。入口バッファ部34a及び出口バッファ部34bは、それぞれ複数個のエンボスを有するが、前記エンボスとともに、又は該エンボスに代えて、複数本のライン状凸部を有してもよい。   An inlet buffer 34a is located outside the power generation region at the inlet side end of the fuel gas channel 32, while an outlet located outside the power generation region is located at the outlet side end of the fuel gas channel 32. The buffer unit 34b is connected. Each of the inlet buffer portion 34a and the outlet buffer portion 34b has a plurality of embosses, but may have a plurality of line-shaped convex portions together with or instead of the embosses.

面16aには、入口バッファ部34aと燃料ガス入口連通孔20aとの間に位置して平坦状の入口連結部36aが設けられる。面16aには、出口バッファ部34bと燃料ガス出口連通孔20bとの間に位置して平坦状の出口連結部36bが設けられる。なお、第2金属セパレータ16を貫通する複数個の孔部を設けるとともに、前記孔部の上流側と下流側とで面16a、16bに溝部を設けてもよい。   The surface 16a is provided with a flat inlet connection part 36a located between the inlet buffer part 34a and the fuel gas inlet communication hole 20a. The surface 16a is provided with a flat outlet connection part 36b located between the outlet buffer part 34b and the fuel gas outlet communication hole 20b. In addition, while providing the several hole part which penetrates the 2nd metal separator 16, you may provide a groove part in the surface 16a, 16b by the upstream and downstream of the said hole part.

互いに隣接する第1金属セパレータ14の面14bと第2金属セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体流路42が形成される。冷却媒体流路42は、冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bに連通する。冷却媒体流路42は、酸化剤ガス流路24が形成された第1金属セパレータ14の裏面形状と、燃料ガス流路32が形成された第2金属セパレータ16の裏面形状とが重なり合って形成される。   A cooling medium flow path 42 is formed between the surface 14 b of the first metal separator 14 and the surface 16 b of the second metal separator 16 that are adjacent to each other. The cooling medium flow path 42 communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b. The cooling medium channel 42 is formed by overlapping the back surface shape of the first metal separator 14 in which the oxidant gas channel 24 is formed and the back surface shape of the second metal separator 16 in which the fuel gas channel 32 is formed. The

図1及び図2に示すように、第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材44が一体化される。第2金属セパレータ16の面16a、16bには、この第2金属セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材46が一体化される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 44 is integrated with the surfaces 14 a and 14 b of the first metal separator 14 around the outer peripheral end portion of the first metal separator 14. The second seal member 46 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the second metal separator 16 around the outer peripheral end of the second metal separator 16.

第1シール部材44は、図2及び図3に示すように、面14a側に設けられ、隣接する第2金属セパレータ16の第2シール部材46の平坦面に当接する凸状シール44aを有する。凸状シール44aは、図3に示すように、酸化剤ガス流路24、酸化剤ガス入口連通孔18a及び酸化剤ガス出口連通孔18bを囲繞するとともに、これらを連通させる。   As shown in FIGS. 2 and 3, the first seal member 44 has a convex seal 44 a that is provided on the surface 14 a side and abuts against the flat surface of the second seal member 46 of the adjacent second metal separator 16. As shown in FIG. 3, the convex seal 44a surrounds the oxidant gas flow path 24, the oxidant gas inlet communication hole 18a, and the oxidant gas outlet communication hole 18b and communicates them.

図2に示すように、第2シール部材46は、面16a側に設けられ、第1シール部材44の平坦面に当接する凸状シール46aを有する。図1に示すように、凸状シール46aは、燃料ガス流路32、燃料ガス入口連通孔20a及び燃料ガス出口連通孔20bを囲繞する。   As shown in FIG. 2, the second seal member 46 has a convex seal 46 a that is provided on the surface 16 a side and abuts against the flat surface of the first seal member 44. As shown in FIG. 1, the convex seal 46a surrounds the fuel gas passage 32, the fuel gas inlet communication hole 20a, and the fuel gas outlet communication hole 20b.

第1シール部材44及び第2シール部材46には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   For the first seal member 44 and the second seal member 46, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

樹脂枠付きMEA12は、図2に示すように、段差MEAである電解質膜・電極構造体12aを備える。段差MEAとは、一方の電極の平面寸法と他方の電極の平面寸法とが異なる、すなわち、段差を有するMEAである。詳細は、後述する。   As shown in FIG. 2, the MEA 12 with a resin frame includes an electrolyte membrane / electrode structure 12 a that is a step MEA. The step MEA is an MEA in which the planar dimension of one electrode is different from the planar dimension of the other electrode, that is, has a step. Details will be described later.

電解質膜・電極構造体12aは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)48を有する。固体高分子電解質膜48の一方の面には、カソード電極(第1電極)50が設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜48の他方の面には、アノード電極(第2電極)52が設けられる。固体高分子電解質膜48は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。   The electrolyte membrane / electrode structure 12a includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane (cation exchange membrane) 48 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water. A cathode electrode (first electrode) 50 is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 48, and an anode electrode (second electrode) 52 is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 48. It is done. The solid polymer electrolyte membrane 48 may use an HC (hydrocarbon) electrolyte in addition to the fluorine electrolyte.

アノード電極52の平面寸法(外形寸法)は、固体高分子電解質膜48及びカソード電極50の平面寸法(外形寸法)よりも小さな寸法を有する。カソード電極50は、固体高分子電解質膜48と、同一の平面寸法に設定される。なお、上記の構成に代えて、カソード電極50は、固体高分子電解質膜48及びアノード電極52よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極52は、第1電極となり、カソード電極50は、第2電極となる。   The planar dimension (outer dimension) of the anode electrode 52 is smaller than the planar dimension (outer dimension) of the solid polymer electrolyte membrane 48 and the cathode electrode 50. The cathode electrode 50 is set to have the same planar dimensions as the solid polymer electrolyte membrane 48. Instead of the above configuration, the cathode electrode 50 may be configured to have a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 48 and the anode electrode 52. At that time, the anode electrode 52 becomes the first electrode, and the cathode electrode 50 becomes the second electrode.

カソード電極50及びアノード電極52は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜48の両面に形成される。   The cathode electrode 50 and the anode electrode 52 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer (not shown) to be formed. The electrode catalyst layer is formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 48, for example.

樹脂枠付きMEA12は、固体高分子電解質膜48の外周を周回して接合される樹脂枠部材54を備える。樹脂枠部材54は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)等で構成される。樹脂枠部材54は、さらにPET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィン等で構成される。   The MEA 12 with a resin frame includes a resin frame member 54 that is joined around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 48. The resin frame member 54 includes, for example, PPS (polyphenylene sulfide), PPA (polyphthalamide), PEN (polyethylene naphthalate), PES (polyethersulfone), LCP (liquid crystal polymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), A silicone resin, a fluororesin, or m-PPE (modified polyphenylene ether resin) is used. The resin frame member 54 is further made of PET (polyethylene terephthalate), PBT (polybutylene terephthalate), modified polyolefin, or the like.

樹脂枠部材54は、図1及び図4に示すように、電解質膜・電極構造体12aの外周端部を覆う断面コ字状を有する。電解質膜・電極構造体12aは、段差MEAを構成するため、断面コ字状の樹脂枠部材54と強固に接合することができる。樹脂枠部材54の矢印B方向一端には、矢印B方向外方に突出するブリッジ部(突起部)56a、56bが上下に形成される。樹脂枠部材54の矢印B方向他端には、矢印B方向外方に突出するブリッジ部(突起部)56c、56dが上下に形成される。   As shown in FIGS. 1 and 4, the resin frame member 54 has a U-shaped cross section that covers the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure 12 a. Since the electrolyte membrane / electrode structure 12a forms the step MEA, the electrolyte membrane / electrode structure 12a can be firmly joined to the resin frame member 54 having a U-shaped cross section. At one end in the arrow B direction of the resin frame member 54, bridge portions (projections) 56a and 56b protruding outward in the arrow B direction are formed vertically. At the other end in the arrow B direction of the resin frame member 54, bridge portions (projections) 56c and 56d protruding outward in the arrow B direction are formed vertically.

図1、図3及び図5に示すように、ブリッジ部56aは、樹脂枠部材54の一方の面54a側で、第1金属セパレータ14の入口連結部28aに当接する。入口連結部28aに当接するブリッジ部56aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと入口バッファ部26aとを連結する酸化剤ガス入口連結流路58aが形成される。酸化剤ガス入口連結流路58aは、ブリッジ部56aの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印B方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。   As shown in FIGS. 1, 3, and 5, the bridge portion 56 a contacts the inlet connection portion 28 a of the first metal separator 14 on the one surface 54 a side of the resin frame member 54. An oxidant gas inlet connection flow path 58a that connects the oxidant gas inlet communication hole 18a and the inlet buffer part 26a is formed in the bridge part 56a that contacts the inlet connection part 28a. The oxidant gas inlet connection flow path 58a is composed of a plurality of groove portions whose surfaces of the bridge portion 56a are parallel to each other in the vertical direction and cut out in a slit shape toward the arrow B direction.

図1及び図3に示すように、ブリッジ部56dは、樹脂枠部材54の一方の面54a側で、第1金属セパレータ14の出口連結部28bに当接する。出口連結部28bに当接するブリッジ部56dには、酸化剤ガス出口連通孔18bと出口バッファ部26bとを連結する酸化剤ガス出口連結流路58bが形成される。酸化剤ガス出口連結流路58bは、ブリッジ部56dの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印B方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。   As shown in FIGS. 1 and 3, the bridge portion 56 d abuts on the outlet connection portion 28 b of the first metal separator 14 on the one surface 54 a side of the resin frame member 54. An oxidant gas outlet connection flow path 58b that connects the oxidant gas outlet communication hole 18b and the outlet buffer part 26b is formed in the bridge part 56d that contacts the outlet connection part 28b. The oxidant gas outlet connection flow path 58b is configured by a plurality of groove portions in which the surface of the bridge portion 56d is parallel to each other in the vertical direction and cut out in a slit shape toward the arrow B direction.

図1、図4及び図6に示すように、ブリッジ部56cは、樹脂枠部材54の他方の面54b側で、第2金属セパレータ16の入口連結部36aに当接する。入口連結部36aに当接するブリッジ部56cには、燃料ガス入口連通孔20aと入口バッファ部34aとを連結する燃料ガス入口連結流路60aが形成される。燃料ガス入口連結流路60aは、ブリッジ部56cの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印B方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。   As shown in FIGS. 1, 4, and 6, the bridge portion 56 c comes into contact with the inlet connection portion 36 a of the second metal separator 16 on the other surface 54 b side of the resin frame member 54. A fuel gas inlet connection flow path 60a that connects the fuel gas inlet communication hole 20a and the inlet buffer portion 34a is formed in the bridge portion 56c that contacts the inlet connection portion 36a. The fuel gas inlet connection flow path 60a is composed of a plurality of groove portions whose surfaces of the bridge portion 56c are parallel to each other in the vertical direction and cut out in a slit shape toward the arrow B direction.

図1及び図4に示すように、ブリッジ部56bは、樹脂枠部材54の他方の面54b側で、第2金属セパレータ16の出口連結部36bに当接する。出口連結部36bに当接するブリッジ部56bには、燃料ガス出口連通孔20bと出口バッファ部34bとを連結する燃料ガス出口連結流路60bが形成される。燃料ガス出口連結流路60bは、ブリッジ部56bの面を、互いに上下方向に平行し且つ矢印B方向に向かってスリット状に切り欠いた複数本の溝部により構成される。   As shown in FIGS. 1 and 4, the bridge portion 56 b contacts the outlet connection portion 36 b of the second metal separator 16 on the other surface 54 b side of the resin frame member 54. A fuel gas outlet connection channel 60b that connects the fuel gas outlet communication hole 20b and the outlet buffer part 34b is formed in the bridge portion 56b that abuts the outlet connection portion 36b. The fuel gas outlet connection flow path 60b is configured by a plurality of groove portions in which the surface of the bridge portion 56b is parallel to each other in the vertical direction and cut out in a slit shape toward the arrow B direction.

図2に示すように、樹脂枠部材54は、一方の面54aに当接する第1金属セパレータ14と接着剤62aにより接合される。樹脂枠部材54は、他方の面54bに当接する第2金属セパレータ16と接着剤62bにより接合される。接着剤62a、62bとしては、例えば、液状シールやホットメルト剤が用いられる。   As shown in FIG. 2, the resin frame member 54 is bonded to the first metal separator 14 that is in contact with one surface 54a by an adhesive 62a. The resin frame member 54 is bonded to the second metal separator 16 in contact with the other surface 54b by an adhesive 62b. For example, a liquid seal or a hot melt agent is used as the adhesives 62a and 62b.

このように構成される発電セル10の動作について、以下に説明する。   The operation of the power generation cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔20aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 18a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 20a. Supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.

このため、酸化剤ガスは、図3及び図5に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aから第1金属セパレータ14の入口連結部28aに供給される。入口連結部28aには、樹脂枠部材54のブリッジ部56aが当接するとともに、前記ブリッジ部56aには、酸化剤ガス入口連結流路58aが形成されている。従って、酸化剤ガスは、図5に示すように、酸化剤ガス入口連結流路58aを流通して入口バッファ部26aから酸化剤ガス流路24に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体12aのカソード電極50に供給される。   Therefore, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas inlet communication hole 18a to the inlet connection portion 28a of the first metal separator 14, as shown in FIGS. A bridge portion 56a of the resin frame member 54 abuts on the inlet connection portion 28a, and an oxidant gas inlet connection flow path 58a is formed in the bridge portion 56a. Therefore, as shown in FIG. 5, the oxidant gas flows through the oxidant gas inlet connection flow path 58a, is introduced from the inlet buffer portion 26a into the oxidant gas flow path 24, moves in the direction of arrow B, and moves to the electrolyte membrane. -It is supplied to the cathode electrode 50 of the electrode structure 12a.

一方、燃料ガスは、図1及び図6に示すように、燃料ガス入口連通孔20aから第2金属セパレータ16の入口連結部36aに供給される。入口連結部36aには、樹脂枠部材54のブリッジ部56cが当接するとともに、前記ブリッジ部56cには、燃料ガス入口連結流路60aが形成されている。従って、燃料ガスは、図6に示すように、燃料ガス入口連結流路60aを流通して入口バッファ部34aから燃料ガス流路32に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体12aのアノード電極52に供給される。   On the other hand, the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet communication hole 20a to the inlet connecting portion 36a of the second metal separator 16, as shown in FIGS. A bridge portion 56c of the resin frame member 54 contacts the inlet connection portion 36a, and a fuel gas inlet connection flow path 60a is formed in the bridge portion 56c. Therefore, as shown in FIG. 6, the fuel gas flows through the fuel gas inlet connection channel 60a, is introduced from the inlet buffer 34a into the fuel gas channel 32, moves in the direction of arrow B, and the electrolyte membrane / electrode structure. It is supplied to the anode electrode 52 of the body 12a.

これにより、電解質膜・電極構造体12aでは、カソード電極50に供給される酸化剤ガスと、アノード電極52に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。   As a result, in the electrolyte membrane / electrode structure 12a, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 50 and the fuel gas supplied to the anode electrode 52 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、カソード電極50に供給されて消費された酸化剤ガスは、図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ14の出口バッファ部26bから酸化剤ガス出口連結流路58bを流通する。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔18bに排出され、矢印A方向に流通される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 50 flows from the outlet buffer part 26b of the first metal separator 14 through the oxidant gas outlet connection channel 58b as shown in FIGS. Further, the oxidant gas is discharged to the oxidant gas outlet communication hole 18b and is circulated in the arrow A direction.

同様に、アノード電極52に供給されて消費された燃料ガスは、図1及び図4に示すように、第2金属セパレータ16の出口バッファ部34bから燃料ガス出口連結流路60bを流通する。そして、燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔20bに排出され、矢印A方向に流通される。   Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 52 flows from the outlet buffer portion 34b of the second metal separator 16 through the fuel gas outlet connection channel 60b as shown in FIGS. And fuel gas is discharged | emitted by the fuel gas exit communication hole 20b, and is distribute | circulated in the arrow A direction.

また、図1に示すように、上下一対の冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ14と第2金属セパレータ16との間の冷却媒体流路42に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔22aから冷却媒体流路42に供給され、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して樹脂枠付きMEA12を冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、上下一対の冷却媒体出口連通孔22bに排出される。   Further, as shown in FIG. 1, the cooling medium supplied to the pair of upper and lower cooling medium inlet communication holes 22 a is introduced into the cooling medium flow path 42 between the first metal separator 14 and the second metal separator 16. . The cooling medium is supplied from each cooling medium inlet communication hole 22a to the cooling medium flow path 42, once flows along the inner side in the direction of arrow C, and then moves in the direction of arrow B to cool the MEA 12 with the resin frame. This cooling medium moves outward in the direction of arrow C, and then is discharged into a pair of upper and lower cooling medium outlet communication holes 22b.

この場合、本実施形態では、例えば、図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ14には、酸化剤ガス流路24の入口側端部に連なる入口バッファ部26aが設けられている。一方、樹脂枠部材54のブリッジ部56aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと入口バッファ部26aとを連結する酸化剤ガス入口連結流路58aが形成されている。   In this case, in this embodiment, for example, as shown in FIGS. 1 and 3, the first metal separator 14 is provided with an inlet buffer portion 26 a continuous with the inlet side end portion of the oxidant gas flow path 24. . On the other hand, the bridge portion 56a of the resin frame member 54 is formed with an oxidant gas inlet connection channel 58a that connects the oxidant gas inlet communication hole 18a and the inlet buffer portion 26a.

さらに、第1金属セパレータ14には、酸化剤ガス流路24の出口側端部に連なる出口バッファ部26bが設けられている。一方、樹脂枠部材54のブリッジ部56dには、酸化剤ガス出口連通孔18bと出口バッファ部26bとを連結する酸化剤ガス出口連結流路58bが形成されている。   Further, the first metal separator 14 is provided with an outlet buffer portion 26 b that is connected to an outlet side end portion of the oxidant gas flow path 24. On the other hand, in the bridge portion 56d of the resin frame member 54, an oxidant gas outlet connection flow path 58b that connects the oxidant gas outlet communication hole 18b and the outlet buffer portion 26b is formed.

このため、樹脂枠部材54には、入口バッファ部及び出口バッファ部を設けることがない。従って、樹脂枠部材54において、荷重増等により入口バッファ部及び出口バッファ部に偏力が作用するという現象が惹起することがない。   For this reason, the resin frame member 54 is not provided with an inlet buffer portion and an outlet buffer portion. Therefore, in the resin frame member 54, a phenomenon that a biasing force acts on the inlet buffer portion and the outlet buffer portion due to an increase in load or the like does not occur.

これにより、樹脂枠部材54に割れが惹起したり、クロスリーク等の性能低下が発生したりすることを、確実に抑制することが可能になる。このため、特に発電セル10全体の構成を一層簡素化させることができ、前記発電セル10を経済的に製造することが可能になるという効果が得られる。なお、燃料ガス流路32側では、上記の酸化剤ガス流路24側と同様の効果が得られる。   As a result, it is possible to reliably prevent the resin frame member 54 from being cracked or causing a performance degradation such as cross leak. For this reason, especially the structure of the electric power generation cell 10 whole can be simplified further, and the effect that it becomes possible to manufacture the said electric power generation cell 10 economically is acquired. Note that, on the fuel gas channel 32 side, the same effects as those on the oxidant gas channel 24 side can be obtained.

また、発電セル10は、1枚のMEAを一対のセパレータにより挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第1金属セパレータ、第1樹脂枠付きMEA、第2金属セパレータ、第2樹脂枠付きMEA及び第3セパレータの順に積層された発電ユニットを有し、各発電ユニット間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造の燃料電池を採用してもよい。   The power generation cell 10 is configured by sandwiching one MEA with a pair of separators, but is not limited thereto. For example, the first metal separator, the MEA with the first resin frame, the second metal separator, the MEA with the second resin frame, and the third separator are stacked in this order, and the cooling medium flow path is between the power generation units. A so-called thin-out cooling structure fuel cell may be adopted.

10…発電セル 12…樹脂枠付きMEA
12a…電解質膜・電極構造体 14、16…セパレータ
18a…酸化剤ガス入口連通孔 18b…酸化剤ガス出口連通孔
20a…燃料ガス入口連通孔 20b…燃料ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24…酸化剤ガス流路 26a、34a…入口バッファ部
26b、34b…出口バッファ部 28a、36a…入口連結部
28b、36b…出口連結部 32…燃料ガス流路
42…冷却媒体流路 44、46…シール部材
48…固体高分子電解質膜 50…カソード電極
52…アノード電極 54…樹脂枠部材
56a、56b、56c、56d…ブリッジ部
58a…酸化剤ガス入口連結流路 58b…酸化剤ガス出口連結流路
60a…燃料ガス入口連結流路 60b…燃料ガス出口連結流路
62a、62b…接着剤
10 ... Power generation cell 12 ... MEA with resin frame
12a ... Electrolyte membrane / electrode structure 14, 16 ... Separator 18a ... Oxidant gas inlet communication hole 18b ... Oxidant gas outlet communication hole 20a ... Fuel gas inlet communication hole 20b ... Fuel gas outlet communication hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole 24 ... Oxidant gas flow path 26a, 34a ... Inlet buffer part 26b, 34b ... Outlet buffer part 28a, 36a ... Inlet connection part 28b, 36b ... Outlet connection part 32 ... Fuel gas flow path 42 ... Cooling medium flow path 44, 46 ... Seal member 48 ... Solid polymer electrolyte membrane 50 ... Cathode electrode 52 ... Anode electrode 54 ... Resin frame members 56a, 56b, 56c, 56d ... Bridge portion 58a ... Oxidant gas inlet connection flow path 58b ... Oxidant gas outlet connection channel 60a ... Fuel gas inlet connection channel 60b ... Fuel gas outlet connection channels 62a, 62b ... Adhesive

Claims (2)

固体高分子電解質膜の一方の面に第1電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に第2電極が設けられるとともに、前記第1電極の平面寸法は、前記第2電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差MEA、及び、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材、を有する樹脂枠付きMEAと、
前記樹脂枠付きMEAの外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該樹脂枠付きMEAの両側に積層されるセパレータと、
を備える燃料電池であって、
前記セパレータには、電極面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に連なるバッファ部と、
前記反応ガスを前記樹脂枠付きMEAと前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、
前記バッファ部と前記反応ガス連通孔との間に設けられる平坦状の連結部と、
が形成される一方、
前記樹脂枠部材には、前記連結部に当接するブリッジ部に、前記反応ガス連通孔と前記バッファ部とを連結する連結流路が形成されるとともに、
前記樹脂枠部材は、両面に当接する前記セパレータと接着剤により接合されてなることを特徴とする燃料電池。
The first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, the second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimension of the first electrode is the same as that of the second electrode. A MEA with a resin frame having a step MEA set to a dimension larger than a planar dimension, and a resin frame member provided around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane;
A separator having an outer dimension larger than an outer dimension of the MEA with the resin frame, and laminated on both sides of the MEA with the resin frame;
A fuel cell comprising:
In the separator, a reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the electrode surface;
A buffer portion connected to the reaction gas flow path;
A reaction gas communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction of the MEA with the resin frame and the separator;
A flat connecting portion provided between the buffer portion and the reaction gas communication hole;
While is formed
In the resin frame member, a connection channel that connects the reaction gas communication hole and the buffer unit is formed in a bridge unit that contacts the connection unit, and
The fuel cell according to claim 1, wherein the resin frame member is bonded to the separator in contact with both surfaces by an adhesive.
請求項1記載の燃料電池において、前記樹脂枠部材は、前記段差MEAの外周端部を覆う断面コ字状を有し、
前記樹脂枠部材の一方の面には、一方の反応ガスである燃料ガスを流通させる燃料ガス連結流路が前記連結流路として形成されてなり、
前記樹脂枠部材の他方の面には、他方の反応ガスである酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連結流路が前記連結流路として形成されてなることを特徴とする燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the resin frame member has a U-shaped cross section covering an outer peripheral end of the step MEA.
On one surface of the resin frame member, a fuel gas connection flow path for flowing fuel gas that is one reaction gas is formed as the connection flow path.
An oxidant gas connection flow path for allowing an oxidant gas as the other reaction gas to flow is formed on the other surface of the resin frame member as the connection flow path.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113363523A (en) * 2020-03-04 2021-09-07 本田技研工业株式会社 Metal separator, fuel cell, and method for manufacturing metal separator

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