JP2017107755A - Seal member for fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Tadashi Fujisawa
匡志 藤澤
敬一 近藤
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敬一 近藤
博晶 鈴木
Hiroaki Suzuki
博晶 鈴木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit a gas from being leaked outside when a composite material of a fiber sheet and a resin is used as a sealing member for a fuel cell.SOLUTION: The seal member for a fuel cell includes: a fiber sheet having a loop shape; and a resin impregnated in the fiber sheet. The fiber sheet intersects with a first direction extending from the inside to the outside of the loop, and has a plurality of slits for dividing fibers constituting the fiber sheet.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、繊維シートと樹脂とを含むシート材料から形成された燃料電池用シール部材およびそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell sealing member formed from a sheet material including a fiber sheet and a resin, and a fuel cell using the same.

燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電し、水を生成する高効率でクリーンな発電装置である。例えば、電解質膜として高分子電解質を具備する高分子電解質型燃料電池は、耐衝撃性に優れることから、定置型のみならず、車載用への展開も期待されている。   A fuel cell is a high-efficiency and clean power generation device that generates water by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant to generate water. For example, a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte as an electrolyte membrane is excellent in impact resistance, and is expected to be used not only for a stationary type but also for in-vehicle use.

高分子電解質型燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、燃料として水素が供給されるアノードと、酸化剤として酸素または空気が供給されるカソードとを具備する。アノードとカソードは、電気化学反応が進行する触媒層を含み、触媒層は通気性と導電性とを併せ持つガス拡散層で覆われている。電解質膜と触媒層との接合体は、CCM(Catalyst Coated Membrane)とも略称される。   The polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, an anode supplied with hydrogen as a fuel, and a cathode supplied with oxygen or air as an oxidant. The anode and the cathode include a catalyst layer in which an electrochemical reaction proceeds, and the catalyst layer is covered with a gas diffusion layer having both air permeability and conductivity. The joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer is also abbreviated as CCM (Catalyst Coated Membrane).

触媒層に供給されるガスの外部へのリークおよび燃料と酸化剤との混合を防止するために、アノードとカソードの周囲には、電解質膜を挟んでシール部材が配置される。周縁部がシール部材で挟持されたCCMまたはこれにガス拡散層を接合した接合体は、MEA(Membrane Electrode Assembly)とも略称される。   In order to prevent leakage of gas supplied to the catalyst layer to the outside and mixing of the fuel and the oxidant, a seal member is disposed around the anode and the cathode with an electrolyte membrane interposed therebetween. A CCM having a peripheral edge sandwiched between sealing members or a joined body obtained by joining a gas diffusion layer to the CCM is also abbreviated as MEA (Membrane Electrode Assembly).

MEAは、互いに隣接するMEA同士を電気的に直列に接続する一対の導電性のセパレータで挟持される。セパレータは、アノードおよびカソードにガスを供給し、生成する水と余剰ガスを運び去る経路としての役割も有する。MEAは、発電機能を有する最小単位であり、一対のセパレータで挟持されることにより、ユニットセルを構成する。セパレータとしては、耐食性に優れる材料が適し、例えばステンレス鋼が用いられる。また、特許文献1は、車載用の燃料電池の機械的強度を確保する観点から、セパレータに、繊維シートと樹脂との複合材であるプリプレグを使用することを提案している。   The MEA is sandwiched between a pair of conductive separators that electrically connect adjacent MEAs in series. The separator also serves as a path for supplying gas to the anode and the cathode and carrying away generated water and surplus gas. The MEA is a minimum unit having a power generation function, and constitutes a unit cell by being sandwiched between a pair of separators. As the separator, a material having excellent corrosion resistance is suitable, for example, stainless steel is used. Patent Document 1 proposes to use a prepreg, which is a composite material of a fiber sheet and a resin, for the separator from the viewpoint of ensuring the mechanical strength of an in-vehicle fuel cell.

特開2005−339954号公報JP-A-2005-339954

プリプレグは、繊維シートに樹脂を含浸することにより得られ、生産性に優れるとともに、耐衝撃性に優れた部材を形成する。しかし、繊維シートを構成する繊維間に完全に樹脂を含浸することは困難であり、繊維間に微細な空隙が形成されやすい。そのため、プリプレグによりガスシール性を必要とする部材を形成すると、水素や空気が、空隙を介して燃料電池の外部へリークすることがある。   A prepreg is obtained by impregnating a fiber sheet with a resin, and forms a member having excellent productivity and impact resistance. However, it is difficult to completely impregnate the resin between the fibers constituting the fiber sheet, and fine voids are easily formed between the fibers. Therefore, when a member that requires gas sealing properties is formed by the prepreg, hydrogen and air may leak to the outside of the fuel cell through the gap.

本発明は、燃料電池一般において、繊維シートと樹脂との複合材を燃料電池用シール部材として用いる場合に、燃料電池の外部へのガスのリークを抑制することを目的とする。   An object of the present invention is to suppress gas leakage to the outside of a fuel cell when a composite material of a fiber sheet and a resin is used as a fuel cell sealing member in general fuel cells.

本発明の一局面は、ループの形状を有する繊維シートと、前記繊維シートに含浸された樹脂と、を含み、前記繊維シートが、前記ループの内側から外側に向かう第1方向と交わり、かつ前記繊維シートを構成する繊維を分断する複数のスリットを有する、燃料電池用シール部材に関する。   One aspect of the present invention includes a fiber sheet having a loop shape and a resin impregnated in the fiber sheet, wherein the fiber sheet intersects a first direction from the inside to the outside of the loop, and The present invention relates to a fuel cell sealing member having a plurality of slits for separating fibers constituting a fiber sheet.

本発明の他の局面は、ユニットセルと、前記ユニットセルを挟持する一対のセパレータと、を具備し、前記ユニットセルは、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域と、前記中央領域を囲む周縁部と、を有する電解質膜と、前記アノードに供給される燃料を拡散させるアノード側ガス拡散層と、前記カソードに供給される酸化剤を拡散させるカソード側ガス拡散層と、前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層とを囲むとともに、前記電解質膜の前記周縁部を挟持する一対のシール部材と、を具備し、前記一対のシール部材の少なくとも一方が、上記燃料電池用シール部材である、燃料電池に関する。   Another aspect of the present invention includes a unit cell and a pair of separators that sandwich the unit cell. The unit cell includes an anode, a cathode, and a center interposed between the anode and the cathode. An electrolyte membrane having a region and a peripheral portion surrounding the central region, an anode side gas diffusion layer for diffusing fuel supplied to the anode, and a cathode side gas diffusion for diffusing an oxidant supplied to the cathode And a pair of seal members that surround the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer and sandwich the periphery of the electrolyte membrane, and at least one of the pair of seal members The present invention relates to a fuel cell which is the fuel cell sealing member.

本発明に係る燃料電池用シール部材によれば、燃料電池から外部へのガスのリークを抑制することができる。   According to the fuel cell seal member of the present invention, gas leakage from the fuel cell to the outside can be suppressed.

本発明の一実施形態に係るシール部材の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the sealing member which concerns on one Embodiment of this invention. 図1のシール部材の一部の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a part of the seal member of FIG. 1. 図1のシール部材のA−A線における矢視断面図である。It is arrow sectional drawing in the AA line of the sealing member of FIG. 本発明の一実施形態に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the structure of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. シール部材の内部に形成される微細な空隙を示す断面写真である。It is a cross-sectional photograph which shows the fine space | gap formed in the inside of a sealing member.

本発明に係る燃料電池用シール部材は、枠状部材であり、ループの形状を有する繊維シートと、繊維シートに含浸された樹脂とを含む。繊維シートは、アノードとアノード側ガス拡散層、または、カソードとカソード側ガス拡散層を囲む大きなループを形成しており、シール部材も、繊維シートに対応するループを形成している。なお、繊維シートおよびシール部材は、2つ以上のループを有してもよい。例えば、シール部材のマニホールドに対応する位置に、小さな1つ以上のループを有してもよい。   The fuel cell sealing member according to the present invention is a frame-like member, and includes a fiber sheet having a loop shape and a resin impregnated in the fiber sheet. The fiber sheet forms a large loop surrounding the anode and the anode side gas diffusion layer, or the cathode and the cathode side gas diffusion layer, and the seal member also forms a loop corresponding to the fiber sheet. The fiber sheet and the seal member may have two or more loops. For example, one or more small loops may be provided at positions corresponding to the manifold of the seal member.

繊維シートは、ループの内側から外側に向かう第1方向と交わり、かつ繊維を分断する複数のスリットを有する。シール部材の内部の繊維間には、微細な空隙が存在する。このような空隙は、できるだけ少ないことが望ましいが、完全に空隙を無くすことは困難である。繊維を分断するスリットは、繊維シートを厚さ方向に貫通していてもよい。   The fiber sheet has a plurality of slits that intersect the first direction from the inside to the outside of the loop and divide the fiber. There are fine voids between the fibers inside the seal member. Such voids are desirably as small as possible, but it is difficult to completely eliminate voids. The slit for dividing the fiber may penetrate the fiber sheet in the thickness direction.

図5は、シール部材の内部を示す断面写真である。紙面に対して垂直に延びる繊維束において、微細な空隙(白色に見える斑点状の領域)が存在することが理解できる。このような空隙が繊維の長さ方向に沿って連続すると、ガスのリーク経路が形成される。   FIG. 5 is a cross-sectional photograph showing the inside of the seal member. It can be understood that there are fine voids (spotted areas that appear white) in the fiber bundle extending perpendicular to the paper surface. When such voids continue along the length of the fiber, a gas leak path is formed.

シール部材が、第1方向と交わり、かつ繊維を厚さ方向に分断する複数のスリットを有することで、繊維間に微細な空隙が存在する場合でも、繊維の長さ方向に沿ったガスのリーク経路はスリットで分断される。また、シール部材は、燃料電池を組み立てる過程で、加熱されるとともにプレスされる。その際、繊維シートに含浸されている樹脂が軟化し、複数のスリットの少なくとも一部に侵入する。これにより、スリットが樹脂で埋められ、ガスのリーク経路は、スリットを埋める樹脂の壁で遮断されることになる。よって、ガスの外部へのリークが抑制される。   The seal member has a plurality of slits that intersect with the first direction and divide the fiber in the thickness direction, so that gas leaks along the length direction of the fiber even when there are fine voids between the fibers. The path is divided by slits. The seal member is heated and pressed in the process of assembling the fuel cell. At that time, the resin impregnated in the fiber sheet is softened and enters at least a part of the plurality of slits. Thus, the slit is filled with the resin, and the gas leakage path is blocked by the resin wall filling the slit. Therefore, leakage of gas to the outside is suppressed.

ここで、ループの内側から外側に向かう第1方向とは、ループの周方向に対して垂直な方向であり、より具体的には、ループの内側の任意の点における接線に対して垂直な方向をいう。よって、第1方向と交わるスリットの方向(第2方向)は、典型的にはループの周方向と平行または平行に近い方向である。   Here, the first direction from the inside to the outside of the loop is a direction perpendicular to the circumferential direction of the loop, and more specifically, a direction perpendicular to a tangent at an arbitrary point inside the loop. Say. Therefore, the direction (second direction) of the slit that intersects the first direction is typically a direction that is parallel or nearly parallel to the circumferential direction of the loop.

複数のスリットは、ループの全周に沿って、間欠的に配置されていることが好ましい。複数のスリットを間欠的に配置することで、シール部材の機械的強度を高く維持することができる。スリットの1つあたりの長さは、特に限定されないが、10mm以上とすることで、加工の手間が小さくなるとともに、ガスのリーク経路をより効率よく分断できる。また、スリットの1つあたりの長さを、20mm以下とすることで、シール部材の機械的強度を維持しやすくなる。スリットの幅は目視では確認できない程度に小さくても十分であり、例えば500μm以下であることが望ましい。   The plurality of slits are preferably arranged intermittently along the entire circumference of the loop. By disposing the plurality of slits intermittently, the mechanical strength of the seal member can be maintained high. The length per slit is not particularly limited, but by setting it to 10 mm or more, the processing time is reduced and the gas leakage path can be more efficiently divided. Moreover, it becomes easy to maintain the mechanical strength of a sealing member by the length per slit being 20 mm or less. It is sufficient that the width of the slit is small enough that it cannot be visually confirmed. For example, the width is preferably 500 μm or less.

複数のスリットの少なくとも一部は、隣接するスリット同士が第1方向を臨んで互いに部分的に重複するように、千鳥状に配置することが好ましい。このような配置によれば、第1方向に向かうガスのリーク経路がループの何れの場所に形成されることを想定しても、必ずそのリーク経路はスリットもしくはスリットを埋める樹脂の壁で遮断されることになる。複数のスリットを千鳥状に配置する場合、各スリットが他のスリットと重複する部分の長さは、特に限定されないが、スリットの全長の10%以上、30%以下が好適である。   At least some of the plurality of slits are preferably arranged in a staggered manner so that adjacent slits partially overlap each other in the first direction. According to such an arrangement, even if it is assumed that a gas leakage path in the first direction is formed at any location of the loop, the leakage path is always blocked by the resin wall that fills the slit or the slit. Will be. When a plurality of slits are arranged in a staggered manner, the length of the portion where each slit overlaps with another slit is not particularly limited, but is preferably 10% or more and 30% or less of the entire length of the slit.

図1に、千鳥状に配置された複数のスリットを具備するシール部材の一例を示す。矢印B1〜B12は、いずれも第1方向を示している。シール部材10Aは、アノードとアノード側ガス拡散層、または、カソードとカソード側ガス拡散層を内包する大きな第1ループ11を有する枠状部材である。   FIG. 1 shows an example of a sealing member having a plurality of slits arranged in a staggered manner. Arrows B1 to B12 all indicate the first direction. The seal member 10A is a frame-like member having a large first loop 11 that encloses the anode and the anode-side gas diffusion layer or the cathode and the cathode-side gas diffusion layer.

シール部材10Aは、第1ループ11の内側に燃料および酸化剤のいずれか一方を流通させるための第1マニホールド12A、12Bを有するとともに、更に、別の4つのループを有する。4つのループのうち、2つは第2マニホールド13A、13Bであり、燃料および酸化剤の他方が流通する。残りの2つは第3マニホールド14A、14Bであり、冷却水が流通する。   The seal member 10 </ b> A has first manifolds 12 </ b> A and 12 </ b> B for circulating either one of fuel and oxidant inside the first loop 11, and further has another four loops. Of the four loops, two are the second manifolds 13A and 13B, and the other of the fuel and the oxidant flows therethrough. The remaining two are third manifolds 14A and 14B, through which cooling water flows.

図1において、千鳥状に配置された複数のスリット17の多くは、第1方向を臨んだとき、隣接するスリット17と両端部が重複している。図1の一部を拡大して図2に示す。各スリット17が、他のスリット17と重複する長さDLは、スリットの全長Lの10〜30%程度となっていることが好ましい。隣接するスリット17同士の第1方向における距離D1は、ガスのリークを抑制する観点からは、小さいほど好ましく、例えば50μm〜1000μmである。   In FIG. 1, many of the plurality of slits 17 arranged in a staggered manner have both ends overlapping with adjacent slits 17 when facing the first direction. A part of FIG. 1 is enlarged and shown in FIG. The length DL in which each slit 17 overlaps with another slit 17 is preferably about 10 to 30% of the total length L of the slit. The distance D1 in the first direction between the adjacent slits 17 is preferably as small as possible from the viewpoint of suppressing gas leakage, and is, for example, 50 μm to 1000 μm.

図3は、図1のシール部材のA−A線における矢視断面図を概念的に示している。
シール部材10Aは、芯材となる繊維シート15と、繊維シート15に含浸された樹脂16とを具備するが、図示例では、便宜上、繊維シート15の両方の表面が樹脂16で覆われている状態を示している。繊維シート15には第1方向を示す矢印B1に対して垂直な第2方向のスリット17が設けられている。このようなスリット17を有するシール部材10Aを、厚さ方向に加圧すると、樹脂16がスリット17に侵入し、スリット17が樹脂16で埋められる。その結果、樹脂16の壁18が形成される。
FIG. 3 conceptually shows a cross-sectional view taken along line AA of the seal member of FIG.
The sealing member 10 </ b> A includes a fiber sheet 15 serving as a core material and a resin 16 impregnated in the fiber sheet 15, but in the illustrated example, both surfaces of the fiber sheet 15 are covered with the resin 16 for convenience. Indicates the state. The fiber sheet 15 is provided with a slit 17 in the second direction perpendicular to the arrow B1 indicating the first direction. When the sealing member 10 </ b> A having such a slit 17 is pressed in the thickness direction, the resin 16 enters the slit 17 and the slit 17 is filled with the resin 16. As a result, the wall 18 of the resin 16 is formed.

スリット17は、第1方向と80°〜110°の角度を成すように形成されていることが好ましい。すなわち、第1方向と第2方向とが成す角度は、80°〜110°であることが望ましい。なお、スリットと第1方向とが成す角度は、複数のスリットから任意に選択された10個のスリットに関して第1方向と成す角度を測定し、これらの平均値として求めればよい。スリットと第1方向とが成す角度が、90°に近いほど、ガスのリーク経路を分断する効果が大きくなる。   The slit 17 is preferably formed so as to form an angle of 80 ° to 110 ° with the first direction. That is, the angle formed by the first direction and the second direction is desirably 80 ° to 110 °. The angle formed between the slit and the first direction may be obtained by measuring the angle formed with the first direction with respect to 10 slits arbitrarily selected from the plurality of slits and calculating an average value thereof. The closer the angle formed by the slit and the first direction is to 90 °, the greater the effect of dividing the gas leakage path.

シール部材の厚さは、燃料電池の設計に応じて適宜選択すればよいが、例えば60μm〜300μmであることが好ましい。シール部材の厚さが60μm以上であれば、機械的強度を確保しやすく、シール部材の取り扱いが容易となる。また、シール部材の厚さが300μm以下であれば、スペース効率に優れたコンパクトな燃料電池を得ることが容易となる。   The thickness of the sealing member may be appropriately selected according to the design of the fuel cell, and is preferably 60 μm to 300 μm, for example. If the thickness of the sealing member is 60 μm or more, it is easy to ensure the mechanical strength and the handling of the sealing member becomes easy. Moreover, if the thickness of the seal member is 300 μm or less, it becomes easy to obtain a compact fuel cell excellent in space efficiency.

繊維シートは、織布でもよく、不織布でもよい。また、繊維シートを構成する繊維の材料は、特に限定されない。例えば、ガラス繊維、炭素繊維、樹脂繊維などが挙げられる。樹脂繊維を構成する樹脂としては、耐熱性と機械的強度に優れる点で、ポリアミド、ポリイミドなどが好ましい。シール部材において繊維シートの占める割合は、40〜80質量%が好ましく、45〜60質量%がより好ましい。   The fiber sheet may be a woven fabric or a non-woven fabric. Moreover, the material of the fiber which comprises a fiber sheet is not specifically limited. For example, glass fiber, carbon fiber, resin fiber, etc. are mentioned. As the resin constituting the resin fiber, polyamide, polyimide, and the like are preferable from the viewpoint of excellent heat resistance and mechanical strength. The proportion of the fiber sheet in the sealing member is preferably 40 to 80% by mass, and more preferably 45 to 60% by mass.

繊維シートに含浸させる樹脂は、熱可塑性樹脂でもよく、熱硬化性樹脂でもよいが、より耐熱性に優れた燃料電池を得る観点からは、熱硬化性樹脂を用いることが望ましい。熱硬化性樹脂は、硬化剤、硬化促進剤、充填剤などを含む熱硬化性樹脂組成物であってもよい。   The resin impregnated in the fiber sheet may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin, but it is desirable to use a thermosetting resin from the viewpoint of obtaining a fuel cell with better heat resistance. The thermosetting resin may be a thermosetting resin composition containing a curing agent, a curing accelerator, a filler, and the like.

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が挙げられる。中でも、イオン性不純物の含有量が少なく、取り扱い性に優れる点で、エポキシ樹脂が好ましい。エポキシ樹脂の具体例としては、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型等のノボラック型エポキシ樹脂、環状脂肪族エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   Examples of the thermosetting resin include an epoxy resin, a phenol resin, a melamine resin, an unsaturated polyester resin, and a diallyl phthalate resin. Among these, an epoxy resin is preferable in that the content of ionic impurities is small and the handleability is excellent. Specific examples of the epoxy resin include bisphenol type epoxy resins such as bisphenol A type and bisphenol F type, novolak type epoxy resins such as phenol novolak type and cresol novolak type, and cyclic aliphatic epoxy resins. These may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type.

本発明に係るシール部材は、繊維シートに、樹脂、好ましくは熱硬化性樹脂組成物を含浸させて、プリプレグのシートを形成し、その後、プリプレグのシートから枠状部材を打ち抜くことで製造することができる。複数のスリットは、打ち抜いた枠状部材に、カッター等の裁断装置を用いて形成すればよい。あるいは、樹脂を含浸させる前の繊維シートに、予め複数のスリットを形成し、その後、スリットを有する繊維シートに樹脂を含浸させてもよい。ただし、シール部材の製造方法は、特に限定されない。なお、プリプレグとは、未硬化または半硬化状態の熱硬化性樹脂を繊維シートに含浸させたシート材料をいう。   The sealing member according to the present invention is manufactured by impregnating a fiber sheet with a resin, preferably a thermosetting resin composition, to form a prepreg sheet, and then punching a frame-shaped member from the prepreg sheet. Can do. The plurality of slits may be formed in the punched frame member using a cutting device such as a cutter. Alternatively, a plurality of slits may be formed in advance on the fiber sheet before impregnating the resin, and then the fiber sheet having the slits may be impregnated with the resin. However, the manufacturing method of a sealing member is not specifically limited. The prepreg refers to a sheet material in which a fiber sheet is impregnated with an uncured or semi-cured thermosetting resin.

繊維シートに熱硬化性樹脂を含浸させる場合、熱硬化性樹脂を硬化させるタイミングは、特に限定されないが、熱硬化性樹脂が少なくとも未硬化成分を含む状態で電解質膜の周縁部に装着し、その後、MEAまたは燃料電池を組み立てる過程で、シール部材を加熱しながら加圧して未硬化成分を硬化させることが望ましい。これにより、燃料電池の部材間の密着性が高められるとともに、燃料電池の機械的強度が高められる。   When the fiber sheet is impregnated with the thermosetting resin, the timing for curing the thermosetting resin is not particularly limited, but the thermosetting resin is attached to the peripheral portion of the electrolyte membrane in a state containing at least an uncured component, and thereafter In the process of assembling the MEA or fuel cell, it is desirable to cure the uncured component by applying pressure while heating the seal member. As a result, the adhesion between the members of the fuel cell is enhanced, and the mechanical strength of the fuel cell is enhanced.

次に、燃料電池について説明する。
図4は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。
燃料電池100は、ユニットセル200と、ユニットセル200を挟持する一対のセパレータ300A、300Bとを具備する。ユニットセル200は、中央に配置されたCCM30と、CCM30の両側にそれぞれアノードまたはカソードを覆うように配置された第1ガス拡散層40Aおよび第2ガス拡散層40Bとを具備する。第1ガス拡散層40Aおよび第2ガス拡散層40Bの一方は、アノード側ガス拡散層であり、他方はカソード側ガス拡散層である。CCM30は、中央領域31Xと、中央領域31Xを囲む周縁部31Yとを有する電解質膜31と、中央領域31Xの下側の表面に接合された第1触媒層(図示されず)と、中央領域31Xの上側の表面に接合された第2触媒層32Bとを有する。第1触媒層および第2触媒層32Bの一方は、アノードとして機能し、他方は、カソードとして機能する。
Next, the fuel cell will be described.
FIG. 4 is an exploded perspective view showing the structure of the fuel cell according to the embodiment of the present invention.
The fuel cell 100 includes a unit cell 200 and a pair of separators 300A and 300B that sandwich the unit cell 200. The unit cell 200 includes a CCM 30 disposed in the center, and a first gas diffusion layer 40A and a second gas diffusion layer 40B disposed on both sides of the CCM 30 so as to cover the anode or the cathode, respectively. One of the first gas diffusion layer 40A and the second gas diffusion layer 40B is an anode side gas diffusion layer, and the other is a cathode side gas diffusion layer. The CCM 30 includes an electrolyte membrane 31 having a central region 31X and a peripheral edge 31Y surrounding the central region 31X, a first catalyst layer (not shown) bonded to the lower surface of the central region 31X, and the central region 31X. And a second catalyst layer 32B bonded to the upper surface of the first catalyst layer 32B. One of the first catalyst layer and the second catalyst layer 32B functions as an anode, and the other functions as a cathode.

図示例では、一対のシール部材は、それぞれが2層のパーツで構成されている。すなわち、シール部材60A(60B)は、外側シール部材10A(10B)と、内側シール部材20A(20B)とを具備する。このように、シール部材を2層以上のパーツで構成する場合、全てのパーツを繊維シートと繊維シートに含浸された樹脂とを含む材料で形成する必要はない。また、全てのパーツに、第1方向と交わる複数のスリットを設ける必要もない。ただし、全てのパーツを繊維シートと繊維シートに含浸された樹脂とを含む材料で形成することが、製造の便宜上、好ましく、全てのパーツに第1方向と交わる複数のスリットを設けることが、ガスのリークを抑制する効果が高まる点で好ましい。   In the illustrated example, each of the pair of seal members is composed of two layers of parts. That is, the seal member 60A (60B) includes the outer seal member 10A (10B) and the inner seal member 20A (20B). As described above, when the sealing member is composed of two or more layers, it is not necessary to form all the parts with a material including the fiber sheet and the resin impregnated in the fiber sheet. Moreover, it is not necessary to provide a plurality of slits intersecting the first direction in all parts. However, it is preferable for the convenience of manufacturing that all parts are formed of a material including a fiber sheet and a resin impregnated in the fiber sheet, and it is preferable to provide a plurality of slits crossing the first direction in all parts. This is preferable in that the effect of suppressing the leakage is increased.

シール部材60Aにおいて、外側シール部材10Aは、セパレータ300Aに接触または接合される。内側シール部材20Aは、スペーサとなるブリッジプレート50A、50Bを介して、セパレータ300Aに対向するように配置され、電解質膜31の周縁部31Yと接触または接合される。他方のシール部材60Bにおいても、同様に、外側シール部材10Bはセパレータ300Bに接触または接合され、内側シール部材20Bは、ブリッジプレート50C、50Dを介して、セパレータ300Bに対向するように配置され、電解質膜31の周縁部31Yと接触または接合される。   In the seal member 60A, the outer seal member 10A is in contact with or joined to the separator 300A. The inner seal member 20A is disposed so as to face the separator 300A via bridge plates 50A and 50B serving as spacers, and is in contact with or joined to the peripheral edge portion 31Y of the electrolyte membrane 31. Similarly, in the other seal member 60B, the outer seal member 10B is in contact with or joined to the separator 300B, and the inner seal member 20B is disposed so as to face the separator 300B via the bridge plates 50C and 50D. The peripheral edge 31Y of the film 31 is contacted or joined.

内側シール部材20A、20Bは、燃料または酸化剤が、電解質膜31をクロスリークするのを防止するために、電解質膜の周縁部31Yのできるだけ多くの面を覆っていることが望ましい。一方、外側シール部材10A、10Bは、それぞれ一対のブリッジプレート50A、50Bまたは50C、50Dを収容するためのスペースを第1ループ11の内側に有している。   The inner seal members 20A and 20B desirably cover as many surfaces as possible of the peripheral edge portion 31Y of the electrolyte membrane in order to prevent the fuel or the oxidant from cross leaking the electrolyte membrane 31. On the other hand, the outer seal members 10 </ b> A and 10 </ b> B each have a space inside the first loop 11 for accommodating a pair of bridge plates 50 </ b> A and 50 </ b> B or 50 </ b> C and 50 </ b> D.

ブリッジプレートは、アノードまたはカソードを、マニホールドが配置された一対の端部側から挟むように対で配置される。各ブリッジプレートの表面には凹凸が形成されており、所定のマニホールドから供給されたガスが、ブリッジプレートとセパレータとで形成される隙間を通過してガス拡散層に到達できるようになっている。   The bridge plates are arranged in pairs so that the anode or the cathode is sandwiched from a pair of end portions where the manifold is arranged. Concavities and convexities are formed on the surface of each bridge plate so that gas supplied from a predetermined manifold can reach the gas diffusion layer through a gap formed by the bridge plate and the separator.

アノードおよびカソードは、触媒金属の微粒子と高分子電解質とを含む。アノードの触媒金属としては、Pt−Ru合金等を用いることができる。カソードの触媒金属としては、Pt、Pt−Co合金等を用いることができる。触媒金属は、導電性粉体に担持してもよい。導電性粉体としては、例えばカーボンブラックを用いることができる。   The anode and cathode include fine particles of a catalytic metal and a polymer electrolyte. As the catalyst metal of the anode, a Pt—Ru alloy or the like can be used. As the catalytic metal of the cathode, Pt, Pt—Co alloy or the like can be used. The catalytic metal may be supported on conductive powder. For example, carbon black can be used as the conductive powder.

アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層には、導電性多孔質基材を用いることができる。導電性多孔質基材は、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維などの炭素質材料から形成することが好ましい。ガス拡散層には、溝またはリブを設けてガス流路を形成してもよい。流路の形状は特に限定されず、パラレル型、サーペンタイン型などに形成すればよい。   A conductive porous substrate can be used for the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer. The conductive porous substrate is preferably formed from a carbonaceous material such as carbon black, graphite, or carbon fiber. The gas diffusion layer may be provided with grooves or ribs to form a gas flow path. The shape of the channel is not particularly limited, and may be formed in a parallel type, a serpentine type, or the like.

電解質膜は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質のシートであればよいが、高分子電解質は、耐熱性と化学的安定性に優れることが望ましい。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子等が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子としては、例えばNafion(登録商標)が挙げられる。アノードおよびカソードに含まれる高分子電解質にも、上記の材料を用いることができる。   The electrolyte membrane may be a polymer electrolyte sheet having hydrogen ion conductivity, but it is desirable that the polymer electrolyte is excellent in heat resistance and chemical stability. Examples of the polymer electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. Examples of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer include Nafion (registered trademark). The above materials can also be used for the polymer electrolyte contained in the anode and the cathode.

セパレータは、気密性、電子伝導性および電気化学的安定性を有すればよく、材質は特に限定されない。セパレータの内面(ガス拡散層に対向する面)には、ガス流路を形成してもよい。   The separator is not particularly limited as long as it has air tightness, electronic conductivity, and electrochemical stability. A gas flow path may be formed on the inner surface of the separator (the surface facing the gas diffusion layer).

実施形態では、繊維シートを厚さ方向に貫通するスリットを用いて説明したが、これは例示であってスリットは必ずしも繊維シートを貫通している必要はない。スリットは、繊維シートの一方の主面から形成され、他方の主面に到達せずに繊維シートの厚さ方向の途中で途切れていても良い。   Although the embodiment has been described using a slit that penetrates the fiber sheet in the thickness direction, this is an example, and the slit does not necessarily have to penetrate the fiber sheet. The slit may be formed from one main surface of the fiber sheet, and may be interrupted in the middle of the thickness direction of the fiber sheet without reaching the other main surface.

以下、本発明を実施例に基づいて、更に詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例1》
<シール部材の作製>
繊維シートとして、厚さ100μmのガラス繊維シートの織布を用いた。ここでは、平均繊維径7μmのガラス繊維の織布を用いた。ガラス繊維シートに、下記組成を有する熱硬化性樹脂組成物を含浸させ、厚さ200μmのプリプレグを作製した。プリプレグに占めるガラス繊維シートの割合は、50質量%とした。熱硬化性樹脂組成物には、エポキシ樹脂を主剤とする熱硬化性樹脂組成物を用いた。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
Example 1
<Production of sealing member>
As the fiber sheet, a woven fabric of a glass fiber sheet having a thickness of 100 μm was used. Here, a woven fabric of glass fibers having an average fiber diameter of 7 μm was used. A glass fiber sheet was impregnated with a thermosetting resin composition having the following composition to prepare a prepreg having a thickness of 200 μm. The ratio of the glass fiber sheet in the prepreg was 50% by mass. As the thermosetting resin composition, a thermosetting resin composition mainly composed of an epoxy resin was used.

得られたプリプレグを、所定形状に打ち抜いて、図4に示すように、外側シール部材10A、10Bおよび内側シール部材20A、20Bを作製し、これらを用いて、1つのユニットセルを具備する、図4に示す構造の燃料電池を組み立てた。電解質膜としては、厚さ15μmのNafion膜(ゴア社製)を用いた。   The obtained prepreg is punched into a predetermined shape, and as shown in FIG. 4, outer seal members 10A and 10B and inner seal members 20A and 20B are produced, and these are used to provide one unit cell. A fuel cell having the structure shown in FIG. 4 was assembled. As the electrolyte membrane, a 15 μm thick Nafion membrane (manufactured by Gore) was used.

なお、外側シール部材10A、10Bには、カッターを用いて図1、2に示すような千鳥状の複数のスリットを形成した。各スリットの長さLは10mmとし、各スリットが他のスリットと重複する長さDLは、スリットの全長の10%とした。隣接するスリット同士の第1方向における距離D1は、500μmとした。目視ではスリットの幅は、ほぼゼロであった。第1方向とスリット(第2方向)との成す角度は90°とした。   A plurality of staggered slits as shown in FIGS. 1 and 2 were formed in the outer seal members 10A and 10B using a cutter. The length L of each slit was 10 mm, and the length DL in which each slit overlaps with other slits was 10% of the total length of the slit. The distance D1 in the first direction between adjacent slits was 500 μm. Visually, the width of the slit was almost zero. The angle formed by the first direction and the slit (second direction) was 90 °.

<カソード>
カソードの触媒層は、Pt微粒子を担持したカーボンブラックと、高分子電解質であるNafion(ゴア社製)とで形成した。
<Cathode>
The catalyst layer of the cathode was formed of carbon black carrying Pt fine particles and Nafion (manufactured by Gore) which is a polymer electrolyte.

<アノード>
アノードの触媒層についても、Pt微粒子を担持したカーボンブラックと、Nafion(ゴア社製)により形成した。
<Anode>
The anode catalyst layer was also formed of carbon black carrying Pt fine particles and Nafion (manufactured by Gore).

<ガス拡散層>
カソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層には、導電性粒子とバインダ樹脂とを含有する導電性複合材料を用いた。ガス拡散層のセパレータとの対向面には、水素ガスまたは空気が流れるパラレル型のガス流路を形成した。
<Gas diffusion layer>
For the cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer, a conductive composite material containing conductive particles and a binder resin was used. A parallel type gas flow path through which hydrogen gas or air flows was formed on the surface of the gas diffusion layer facing the separator.

<燃料電池の作製>
アノードおよびカソードを囲むように内側シール部材を配置し、アノードを覆うようにアノード側ガス拡散層を、カソードを覆うようにカソード側ガス拡散層を配置し、電解質膜のマニホールド近傍にブリッジプレートを配置し、更に、アノード側ガス拡散層、カソード側ガス拡散層およびブリッジプレートを囲むように外側シール部材を配置して、ユニットセルを構成し、ユニットセルを一対のステンレス鋼製のセパレータで挟持した。そして、セパレータの外側から、ユニットセルを160℃で加熱しながら、1MPaの圧力で60分間加圧し、燃料電池Aを作製した。上記加熱条件は、シール部材に含まれる熱硬化性樹脂が硬化するのに十分な条件である。
<Fabrication of fuel cell>
An inner seal member is placed to surround the anode and cathode, an anode side gas diffusion layer is placed to cover the anode, a cathode side gas diffusion layer is placed to cover the cathode, and a bridge plate is placed near the manifold of the electrolyte membrane Further, an outer seal member was arranged so as to surround the anode side gas diffusion layer, the cathode side gas diffusion layer, and the bridge plate to constitute a unit cell, and the unit cell was sandwiched between a pair of stainless steel separators. Then, from the outside of the separator, the unit cell was heated at 160 ° C. and pressurized at a pressure of 1 MPa for 60 minutes to produce a fuel cell A. The heating conditions are sufficient to cure the thermosetting resin contained in the seal member.

<評価>
得られた燃料電池Aの各ガス流路に、加圧ガスを流し、燃料電池Aからリークするガス流量を計測した。ここでは、窒素ガスを150kPaのガス圧でガス流路に流通させた。ガス導入開始後、間もなくガス圧は安定し、1時間経過後もガスのリークは発生しなかった。
<Evaluation>
A pressurized gas was passed through each gas flow path of the obtained fuel cell A, and the gas flow rate leaking from the fuel cell A was measured. Here, nitrogen gas was circulated through the gas flow path at a gas pressure of 150 kPa. The gas pressure stabilized soon after the start of gas introduction, and no gas leak occurred even after 1 hour.

《比較例1》
外側シール部材10A、10Bに、千鳥状の複数のスリットを形成しなかったこと以外、実施例1と同様に燃料電池Bを作製し、同様に評価した。ガス導入開始から1時間経過後もガス圧が安定せず、ガスのリークが発生していることが確認された。
<< Comparative Example 1 >>
A fuel cell B was prepared in the same manner as in Example 1 except that a plurality of zigzag slits were not formed in the outer seal members 10A and 10B, and was similarly evaluated. It was confirmed that the gas pressure was not stable even after 1 hour from the start of gas introduction, and gas leakage occurred.

本発明に係る燃料電池は、定置型の家庭用コジェネレーションシステム用電源や、車両用電源として、好適に用いることができる。本発明は、高分子電解質型燃料電池への適用に好適であるが、これに限定されるものではなく、燃料電池一般に適用することができる。   The fuel cell according to the present invention can be suitably used as a stationary power source for a home cogeneration system or a vehicle power source. The present invention is suitable for application to polymer electrolyte fuel cells, but is not limited to this, and can be applied to fuel cells in general.

B1〜B12:第1方向、10A:シール部材(外側シール部材)、10B:外側シール部材、11:第1ループ、12A、12B:第1マニホールド、13A、13B:第2マニホールド、14A、14B:第3マニホールド、15:繊維シート、16:樹脂、17:スリット、18:樹脂の壁、20A、20B:内側シール部材、30:CCM、31:電解質膜、31X:中央領域、31Y:周縁部、32B:第2触媒層、40A:第1ガス拡散層、40B:第2ガス拡散層、50A、50B、50C、50D:ブリッジプレート、60A、60B:シール部材、100:燃料電池、200:ユニットセル、300A、300B:セパレータ

B1 to B12: first direction, 10A: seal member (outer seal member), 10B: outer seal member, 11: first loop, 12A, 12B: first manifold, 13A, 13B: second manifold, 14A, 14B: Third manifold, 15: fiber sheet, 16: resin, 17: slit, 18: resin wall, 20A, 20B: inner seal member, 30: CCM, 31: electrolyte membrane, 31X: central region, 31Y: peripheral edge, 32B: second catalyst layer, 40A: first gas diffusion layer, 40B: second gas diffusion layer, 50A, 50B, 50C, 50D: bridge plate, 60A, 60B: seal member, 100: fuel cell, 200: unit cell , 300A, 300B: Separator

Claims (7)

ループの形状を有する繊維シートと、前記繊維シートに含浸された樹脂と、を含み、
前記繊維シートが、前記ループの内側から外側に向かう第1方向と交わり、かつ前記繊維シートを構成する繊維を分断する複数のスリットを有する、燃料電池用シール部材。
A fiber sheet having a loop shape, and a resin impregnated in the fiber sheet,
The fuel cell sealing member, wherein the fiber sheet has a plurality of slits that intersect a first direction from the inner side to the outer side of the loop and divide the fibers constituting the fiber sheet.
前記複数のスリットは、前記繊維シートを厚さ方向に貫通している、請求項1に記載の燃料電池用シール部材。   The fuel cell sealing member according to claim 1, wherein the plurality of slits penetrate the fiber sheet in a thickness direction. 前記複数のスリットの少なくとも一部が、前記樹脂で埋められている、請求項1または2に記載の燃料電池用シール部材。   The fuel cell sealing member according to claim 1, wherein at least a part of the plurality of slits is filled with the resin. 前記複数のスリットが、前記ループの全周に沿って、間欠的に配置されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用シール部材。   The fuel cell seal member according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of slits are intermittently disposed along the entire circumference of the loop. 前記複数のスリットの少なくとも一部は、隣接するスリット同士が前記第1方向を臨んで互いに部分的に重複するように、千鳥状に配置されている、請求項1〜4のいずれか1項に燃料電池用シール部材。   The at least part of the plurality of slits is arranged in a staggered manner such that adjacent slits partially overlap each other facing the first direction. Fuel cell sealing member. 前記複数のスリットの少なくとも一部が、前記第1方向と80°〜110°の角度を成すように形成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用シール部材。   6. The fuel cell seal member according to claim 1, wherein at least a part of the plurality of slits is formed so as to form an angle of 80 ° to 110 ° with the first direction. ユニットセルと、前記ユニットセルを挟持する一対のセパレータと、を具備し、
前記ユニットセルは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に介在する中央領域と、前記中央領域を囲む周縁部と、を有する電解質膜と、
前記アノードに供給される燃料を拡散させるアノード側ガス拡散層と、
前記カソードに供給される酸化剤を拡散させるカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記カソード側ガス拡散層とを囲むとともに、前記電解質膜の前記周縁部を挟持する一対のシール部材と、を具備し、
前記一対のシール部材の少なくとも一方が、請求項1に記載のシール部材である、燃料電池。
Comprising a unit cell and a pair of separators sandwiching the unit cell;
The unit cell is
An anode,
A cathode,
An electrolyte membrane having a central region interposed between the anode and the cathode, and a peripheral edge surrounding the central region;
An anode side gas diffusion layer for diffusing fuel supplied to the anode;
A cathode side gas diffusion layer for diffusing an oxidant supplied to the cathode;
A pair of sealing members that surround the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer and sandwich the peripheral edge of the electrolyte membrane,
The fuel cell, wherein at least one of the pair of seal members is the seal member according to claim 1.
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