JP2022029313A - Fuel battery cell, fuel battery and manufacturing method for fuel battery cell - Google Patents

Fuel battery cell, fuel battery and manufacturing method for fuel battery cell Download PDF

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啓輔 中澤
Hirosuke Nakazawa
隆利 浅田
Takatoshi Asada
昌平 小林
Shohei Kobayashi
弥 立原
Wataru TACHIHARA
正人 吉野
Masato Yoshino
勇 菊池
Isamu Kikuchi
洋二 中森
Yoji Nakamori
温 松永
Atsushi Matsunaga
将一 干鯛
Masakazu Hidai
宗一郎 霜鳥
Soichiro Shimotori
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Abstract

To provide a flat fuel battery cell with a sealed gas diffusion layer.SOLUTION: A fuel battery cell, which is a membrane-electrode assembly formed by stacking a gas diffusion layer, a catalyst layer and a polymer electrolyte membrane, includes a membrane-electrode assembly formed with a gas non-transmission layer by resin impregnation at an outer-peripheral part of the gas diffusion layer and a cell frame joined to meet the gas non-transmission layer.SELECTED DRAWING: Figure 3B

Description

本発明は、燃料電池セル、燃料電池、及び燃料電池セルの製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell, and a method for manufacturing a fuel cell.

燃料電池スタックは、セパレーターと燃料電池セルを積層して組み立てられる。また、ガスや冷却水の流路構造と流体の漏れを防止するためのシール構造を両立させるために、セパレーター、セル、シールにそれぞれ段差をつけて組み合わせる方法が知られている。 The fuel cell stack is assembled by stacking a separator and a fuel cell. Further, in order to achieve both a flow path structure for gas or cooling water and a seal structure for preventing fluid leakage, a method is known in which separators, cells, and seals are combined with steps.

燃料電池セルは、膜電極接合体(MEA)とセル枠で構成される。膜電極接合体は、カソード電極膜、電解質膜、アノード電極膜の順に積層構造をしている。また、電極膜はガス拡散層と触媒層で構成されている。燃料電池セルセルの作成方法の一つに、膜電極接合体から電解質膜を外側に出して、その電解質を包み込む形でセル枠を接合する方法がある。 The fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (MEA) and a cell frame. The membrane electrode assembly has a laminated structure in the order of a cathode electrode membrane, an electrolyte membrane, and an anode electrode membrane. Further, the electrode membrane is composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer. One of the methods for producing a fuel cell cell is a method in which an electrolyte membrane is exposed from a membrane electrode assembly and the cell frame is joined so as to wrap the electrolyte.

ところが、この方法は、電解質膜が柔らかいためにセル枠と接合するのに手間がかかる上に、発電に寄与しない電解質膜領域が無駄になってしまう。また、セル枠と膜電極接合体の間に段差がある場合には、セパレーターにもセル枠に相当する部分と膜電極接合体に相当する部分とで段差を付ける必要があり、スタック構造が複雑化してしまう。 However, in this method, since the electrolyte membrane is soft, it takes time to join the cell frame, and the electrolyte membrane region that does not contribute to power generation is wasted. Further, when there is a step between the cell frame and the membrane electrode assembly, it is necessary to make a step on the separator between the portion corresponding to the cell frame and the portion corresponding to the membrane electrode assembly, which complicates the stack structure. It will be transformed.

特許第6115414号公報Japanese Patent No. 6115414

本発明が解決しようとする課題は、ガス拡散層をシールしたより平坦な燃料電池セルを提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a flatter fuel cell in which a gas diffusion layer is sealed.

実施形態に係る燃料電池セルは、ガス拡散層と、触媒層と、高分子電解質膜と、を積層させた膜電極接合体であって、ガス拡散層の外周部に樹脂含浸によるガス不透過層を設けた膜電極接合体と、ガス不透過層に対応させて接合されるセル枠と、を備える。 The fuel cell according to the embodiment is a membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane are laminated, and a gas impermeable layer by impregnating the outer periphery of the gas diffusion layer with a resin. The membrane electrode assembly provided with the above and the cell frame to be joined corresponding to the gas impermeable layer are provided.

本発明によれば、ガス拡散層をシールしたより平坦な燃料電池セルを生成できる。 According to the present invention, a flatter fuel cell with a sealed gas diffusion layer can be produced.

第1実施形態に係る燃料電池の構成を示した鳥観図。A bird's-eye view showing the configuration of the fuel cell according to the first embodiment. 図1のAA’断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA'in FIG. 図1のBB’断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line BB'in FIG. 図1のBB’断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line BB'in FIG. 固体高分子形の燃料電池セルの上面図。Top view of polymer electrolyte fuel cell. 図3AのAA’断面図。FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line AA'. 含浸方法について模式的に示す図。The figure which shows typically about the impregnation method. セル枠の接合方法について模式的に示す図。The figure which shows typically the method of joining a cell frame. ガス拡散層の樹脂含浸処理とセル枠の貼り合わせを同時に行う方法例を示す図。The figure which shows the example of the method of performing the resin impregnation treatment of a gas diffusion layer and the bonding of a cell frame at the same time.

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池セル、燃料電池、及び燃料電池セルの製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。 Hereinafter, the fuel cell, the fuel cell, and the method for manufacturing the fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments shown below are examples of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments. Further, in the drawings referred to in the present embodiment, the same parts or parts having similar functions may be designated by the same reference numerals or similar reference numerals, and the repeated description thereof may be omitted. Further, the dimensional ratio of the drawing may differ from the actual ratio for convenience of explanation, or a part of the configuration may be omitted from the drawing.

図1は、本実施形態に係る燃料電池の構成を示した鳥観図である。燃料電池1は、例えば固体高分子形燃料電池であり、燃料電池単位セル2を積層して構成される。図2Aは図1のAA’断面図であり、図2Bは図1のBB’断面図であり、図2Cは図1のCC’断面図である。 FIG. 1 is a bird's-eye view showing the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. The fuel cell 1 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell, and is configured by stacking fuel cell unit cells 2. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG. 1, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB'of FIG. 1, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line CC'of FIG.

図1に示すように、燃料電池単位セル2は、酸化剤である例えば酸素含有ガスと、燃料である例えば水素含有ガスを用いて発電する。この燃料電池単位セル2は、燃料電池セル10と、カソードセパレータ20と、アノードセパレータ30と、を有する。すなわち、この燃料電池単位セル2は、燃料電池セル10と、カソードセパレータ20と、アノードセパレータ30とを、一組として、これらを積層した構造を有する。複数の燃料電池単位セル2を積層することが可能である。複数の燃料電池単位セル2を直列に積層した構造体は、燃料電池スタックと称される。また、燃料電池単位セル2は、単電池と呼ばれる場合もある。 As shown in FIG. 1, the fuel cell unit cell 2 generates electricity by using, for example, an oxygen-containing gas as an oxidant and, for example, a hydrogen-containing gas as a fuel. The fuel cell unit cell 2 has a fuel cell 10, a cathode separator 20, and an anode separator 30. That is, the fuel cell unit cell 2 has a structure in which the fuel cell 10, the cathode separator 20, and the anode separator 30 are laminated as a set. It is possible to stack a plurality of fuel cell unit cells 2. A structure in which a plurality of fuel cell unit cells 2 are stacked in series is called a fuel cell stack. Further, the fuel cell unit cell 2 may be referred to as a cell.

燃料電池セル10は、例えば高分子形燃料電池セルであり、膜電極接合体(MEA)100と、セル枠101とを有する。図2A~Cに示すように、膜電極接合体100は、アノード電極100a、高分子電解質膜100b、カソード電極100cを有する。膜電極接合体100は、燃料と酸化剤との燃料極反応により発電する。図1に示すように、セル枠101には、酸化剤マニホールド102a、bと、冷媒マニホールド104a、bと、燃料マニホールド106a、bと、が設けられている。セル枠101は、ガスを透過させない材質で構成される。 The fuel cell 10 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell, and has a membrane electrode assembly (MEA) 100 and a cell frame 101. As shown in FIGS. 2A to 2C, the membrane electrode assembly 100 has an anode electrode 100a, a polymer electrolyte membrane 100b, and a cathode electrode 100c. The membrane electrode assembly 100 generates electricity by the fuel electrode reaction between the fuel and the oxidant. As shown in FIG. 1, the cell frame 101 is provided with oxidant manifolds 102a and b, refrigerant manifolds 104a and b, and fuel manifolds 106a and b. The cell frame 101 is made of a material that does not allow gas to pass through.

燃料は、上述のように、例えば水素含有ガスであるが、これに限定されない。また、酸化剤は、上述のように、例えば酸素含有ガスであるが、これに限定されない。さらにまた、冷媒は、例えば水であるが、これに限定されない。 As described above, the fuel is, for example, a hydrogen-containing gas, but is not limited thereto. Further, as described above, the oxidizing agent is, for example, an oxygen-containing gas, but is not limited thereto. Furthermore, the refrigerant is, for example, water, but is not limited thereto.

再び図1に示すように、カソードセパレータ20には、酸化剤流路200と、酸化剤マニホールド102a、bと、冷媒マニホールド104a、bと、燃料マニホールド106a、bと、が形成されている。また、カソードセパレータ20には、カソード側のシール材202が設けられている。カソードセパレータ20は、金属薄膜のプレス加工や、カーボン素材の射出成形で作成される。 As shown in FIG. 1 again, the cathode separator 20 is formed with an oxidant flow path 200, oxidant manifolds 102a and b, refrigerant manifolds 104a and b, and fuel manifolds 106a and b. Further, the cathode separator 20 is provided with a sealing material 202 on the cathode side. The cathode separator 20 is produced by pressing a metal thin film or injection molding a carbon material.

酸化剤流路200は、酸化剤を流すための流路である。図2A~Cに示すように、燃料電池セル10のアノード電極100aはアノードセパレータ30と接し、カソード電極100cはカソードセパレータ20と接する。また、酸化剤流路200は、リブ200aと、溝部200bを有する。 The oxidant flow path 200 is a flow path for flowing the oxidant. As shown in FIGS. 2A to 2C, the anode electrode 100a of the fuel cell 10 is in contact with the anode separator 30, and the cathode electrode 100c is in contact with the cathode separator 20. Further, the oxidant flow path 200 has a rib 200a and a groove portion 200b.

図2Aに示すように、酸化剤マニホールド102aから導入された酸化剤は、酸化剤流路200の溝部200bを経由して酸化剤マニホールド102bから排出される。このように、酸化剤流路200の溝部200bからカソード電極100cに酸化剤が供給される。 As shown in FIG. 2A, the oxidant introduced from the oxidant manifold 102a is discharged from the oxidant manifold 102b via the groove portion 200b of the oxidant flow path 200. In this way, the oxidizing agent is supplied to the cathode electrode 100c from the groove portion 200b of the oxidizing agent flow path 200.

酸化剤流路200は、流体を外部へ漏洩させないようにシール材202でシールされる。すなわち、シール材202は、酸化剤の漏洩を防止するために設けられている。図1に示すように、本実施形態に係るシール材202はカソードセパレータ20上に形成されているが、これに限定されない。例えば、シール材202は燃料電池セル10上に形成されてもよいし、或いは、ガスケットのようにシール材202だけを作成して、燃料電池セル10とカソードセパレータ20の間に設置するようにしてもよい。 The oxidant flow path 200 is sealed with a sealing material 202 so as not to leak the fluid to the outside. That is, the sealing material 202 is provided to prevent leakage of the oxidizing agent. As shown in FIG. 1, the sealing material 202 according to the present embodiment is formed on the cathode separator 20, but is not limited thereto. For example, the sealing material 202 may be formed on the fuel cell 10, or only the sealing material 202 may be formed like a gasket and installed between the fuel cell 10 and the cathode separator 20. May be good.

再び図1に示すように、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側の面には、冷媒を流す冷媒流路300と、酸化剤マニホールド102a、bと、冷媒マニホールド104a、bと、燃料マニホールド106a、bと、が形成されている。また、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側の面には、シール材302が設けられている。アノードセパレータ30は、金属薄膜のプレス加工や、カーボン素材の射出成形で作成される。 As shown in FIG. 1 again, on the surface of the anode separator 30 on the cathode separator 20 side, the refrigerant flow path 300 through which the refrigerant flows, the oxidant manifolds 102a and b, the refrigerant manifolds 104a and b, and the fuel manifolds 106a and b And are formed. Further, a sealing material 302 is provided on the surface of the anode separator 30 on the cathode separator 20 side. The anode separator 30 is produced by pressing a metal thin film or injection molding a carbon material.

冷媒流路300は、冷媒を流すための流路である。図2Bに示すように、冷媒流路300は、リブ300aと、溝部300bを有する。冷媒マニホールド104aから導入された冷媒は、冷媒流路300の溝部300bを経由して冷媒マニホールド104bから排出される。このように、冷媒流路300の溝部300bを流れる冷媒により、カソードセパレータ20とアノードセパレータ30とが冷却される。 The refrigerant flow path 300 is a flow path for flowing the refrigerant. As shown in FIG. 2B, the refrigerant flow path 300 has a rib 300a and a groove portion 300b. The refrigerant introduced from the refrigerant manifold 104a is discharged from the refrigerant manifold 104b via the groove portion 300b of the refrigerant flow path 300. In this way, the cathode separator 20 and the anode separator 30 are cooled by the refrigerant flowing through the groove portion 300b of the refrigerant flow path 300.

図2Bに示すように、冷媒流路300は、流体を外部へ漏洩させないようにシール材302でシールされる。このシール材302は、カソードセパレータ20とアノードセパレータ30との間に形成されるる。すなわち、シール材302は、冷媒の漏洩を防止するために設けられている。本実施形態に係るシール材302はアノードセパレータ30上に形成されているがこれに限定されない。例えば、シール材302はカソードセパレータ20上に形成されてもよいし、或いは、ガスケットのようにシール材302だけを作成して、カソードセパレータ20とアノードセパレータ30との間に設置するようにしてもよい。 As shown in FIG. 2B, the refrigerant flow path 300 is sealed with a sealing material 302 so as not to leak the fluid to the outside. The sealing material 302 is formed between the cathode separator 20 and the anode separator 30. That is, the sealing material 302 is provided to prevent leakage of the refrigerant. The sealing material 302 according to the present embodiment is formed on the anode separator 30, but is not limited thereto. For example, the sealing material 302 may be formed on the cathode separator 20, or only the sealing material 302 may be prepared like a gasket and installed between the cathode separator 20 and the anode separator 30. good.

図2Cに示すように、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側と反対の面には、燃料を流す燃料流路400(図2A、Bを参照)が形成されている。また、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側と反対の面には、シール材402が設けられている。燃料マニホールド106a(図2A~Cを参照)から導入された燃料は、燃料流路400の溝部400bを経由して燃料マニホールド106bから排出される。このように、燃料流路400の溝部400bからアノード電極100aに燃料が供給される。 As shown in FIG. 2C, a fuel flow path 400 (see FIGS. 2A and 2B) through which fuel flows is formed on the surface of the anode separator 30 opposite to the cathode separator 20 side. Further, a sealing material 402 is provided on the surface of the anode separator 30 opposite to the cathode separator 20 side. The fuel introduced from the fuel manifold 106a (see FIGS. 2A to 2C) is discharged from the fuel manifold 106b via the groove portion 400b of the fuel flow path 400. In this way, fuel is supplied to the anode electrode 100a from the groove portion 400b of the fuel flow path 400.

図2Cに示すように、燃料流路400は、流体を外部へ漏洩させないようにシール材402でシールされる。このシール材402も燃料電池セル10とアノードセパレータ30との間に形成される。すなわち、シール材402は、燃料の漏洩を防止するために設けられている。本実施形態に係るシール材402はアノードセパレータ30上に形成されているがこれに限定されない。例えば、シール材402は燃料電池セル10上に形成されてもよいし、或いは、ガスケットのようにシール材402だけを作成して、燃料電池セル10とアノードセパレータ30との間に設置するようにしてもよい。 As shown in FIG. 2C, the fuel flow path 400 is sealed with a sealing material 402 so as not to leak the fluid to the outside. The sealing material 402 is also formed between the fuel cell 10 and the anode separator 30. That is, the sealing material 402 is provided to prevent fuel leakage. The sealing material 402 according to the present embodiment is formed on the anode separator 30, but is not limited thereto. For example, the sealing material 402 may be formed on the fuel cell 10, or only the sealing material 402 may be created like a gasket and installed between the fuel cell 10 and the anode separator 30. You may.

このように、酸化剤流路200の溝部200bからカソード電極100cに酸化剤が供給され、燃料流路400の溝部400bからアノード電極100aに燃料が供給される。これにより、膜電極接合体100は、化学式1で示す反応により発電する。すなわち、酸素含有ガスは、カソード電極100cの酸化剤流路200を流れ、酸化剤極反応をおこす。また、水素含有ガスは、アノード電極100a側の燃料流路400を流れ、燃料極反応をおこす。
[化学式1]
燃料極反応:2H→4H+4e
酸化剤極反応:O+4H+4e→4H
なお、本実施形態に係る各流路200、300、400は、途中で何回か屈曲するサーペンタイン構造であるが、これに限定されない。
In this way, the oxidant is supplied to the cathode electrode 100c from the groove 200b of the oxidant flow path 200, and fuel is supplied to the anode electrode 100a from the groove 400b of the fuel flow path 400. As a result, the membrane electrode assembly 100 generates electricity by the reaction represented by the chemical formula 1. That is, the oxygen-containing gas flows through the oxidant flow path 200 of the cathode electrode 100c and causes an oxidant electrode reaction. Further, the hydrogen-containing gas flows through the fuel flow path 400 on the anode electrode 100a side and causes a fuel electrode reaction.
[Chemical formula 1]
Fuel electrode reaction: 2H 2 → 4H + + 4e
Oxidizing agent pole reaction: O 2 + 4H + + 4e- → 4H 2 O
The flow paths 200, 300, and 400 according to the present embodiment have a serpentine structure that bends several times in the middle, but the flow path 200, 300, and 400 are not limited to this.

図3Aは、固体高分子形の燃料電池セル10の上面図である。図3Bは、図3AのA-A’断面図である。 FIG. 3A is a top view of the polymer electrolyte fuel cell 10. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AA'of FIG. 3A.

図3A及びBに示すように、燃料電池セル10は膜電極接合体100の外周にセル枠101を設けた構造である。セル枠101は、例えば第1セル枠101a、第2セル枠101b、及び第2セル枠101cを有する。アノード電極100aは、アノード側ガス拡散層100dと、アノード側触媒層100eを有する。同様にカソード電極100cは、カソード側ガス拡散層100fとカソード側触媒層100gを有する。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the fuel cell 10 has a structure in which a cell frame 101 is provided on the outer periphery of the membrane electrode assembly 100. The cell frame 101 has, for example, a first cell frame 101a, a second cell frame 101b, and a second cell frame 101c. The anode electrode 100a has an anode-side gas diffusion layer 100d and an anode-side catalyst layer 100e. Similarly, the cathode electrode 100c has a cathode side gas diffusion layer 100f and a cathode side catalyst layer 100g.

上述の高分子電解質膜100bには、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものを使用してよい。高分子電解質膜100bには、例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が使用される。 As the above-mentioned polymer electrolyte membrane 100b, those generally used for solid polymer fuel cells may be used. For the polymer electrolyte membrane 100b, for example, a fluorine-based electrolyte membrane or a hydrocarbon electrolyte membrane is used.

ガス拡散層100d、100fには、例えばガスを透過しやすく導電性のあるカーボンペーパーなどの材質が用いられる。すなわち、ガス拡散層100d、100fは、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。 For the gas diffusion layers 100d and 100f, for example, a material such as carbon paper that easily permeates gas and has conductivity is used. That is, the gas diffusion layers 100d and 100f may be those generally used for polymer electrolyte fuel cells.

触媒層100e、100gは、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、白金または白金と他の金属(例えばルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、鉄(Fe)等)との合金の微粒子(平均粒径は10nm以下が望ましい。)が表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子(平均粒径は20~100nm程度が望ましい。)と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とが、適当な溶剤(エタノールなど)中で均一に混合された触媒インクにより作製されるものが使用できる。 The catalyst layers 100e and 100g may be those generally used for polymer electrolyte fuel cells. For example, fine particles (average grain size) of platinum or an alloy of platinum with other metals (eg ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), chromium (Cr), cobalt (Co), iron (Fe), etc.). Conductive carbon fine particles such as carbon black (preferably having an average particle size of about 20 to 100 nm) on which a diameter of 10 nm or less is supported on the surface and a polymer solution such as a perfluorosulfonic acid resin solution are formed. , Those made of catalytic ink uniformly mixed in a suitable solvent (such as ethanol) can be used.

膜電極接合体100は、更に第1ガス不透過層108aと第2ガス不透過層108bとを有する。第1ガス不透過層108aは、アノード側ガス拡散層100dの外周部に樹脂を含浸させた含浸領域である。同様に、第2ガス不透過層108bは、カソード側ガス拡散層100fの外周部に樹脂を含浸させた含浸領域である。 The membrane electrode assembly 100 further has a first gas impermeable layer 108a and a second gas impermeable layer 108b. The first gas impermeable layer 108a is an impregnated region in which the outer peripheral portion of the anode-side gas diffusion layer 100d is impregnated with a resin. Similarly, the second gas impermeable layer 108b is an impregnated region in which the outer peripheral portion of the cathode side gas diffusion layer 100f is impregnated with a resin.

図4は、含浸方法について模式的に示す図である。含浸前の膜電極接合体100の平面図及び膜電極接合体100のAA’断面図と、含浸後の膜電極接合体100の平面図及び膜電極接合体100のAA’断面図と、を上から順に示す。 FIG. 4 is a diagram schematically showing the impregnation method. Above is a plan view of the membrane electrode assembly 100 before impregnation and an AA'cross section of the membrane electrode assembly 100, and a plan view of the membrane electrode assembly 100 after impregnation and an AA'cross section of the membrane electrode assembly 100. Shown in order from.

図4に示すように、含浸前の膜電極接合体100の上面及び下面に熱可塑性樹脂のシート104を重ね合わせ、熱圧着する。これにより、ガス拡散層100d、100fに樹脂のシート104が浸透する。このように、アノード側ガス拡散層100dの外周部に樹脂を含浸させた第1ガス不透過層108aと、カソード側ガス拡散層100fの外周部に樹脂を含浸させた第2ガス不透過層108bとが形成される。樹脂含浸部である第1ガス不透過層108aと第2ガス不透過層108bとは、ガスを透過させない。 As shown in FIG. 4, a thermoplastic resin sheet 104 is superposed on the upper surface and the lower surface of the membrane electrode assembly 100 before impregnation and thermocompression bonded. As a result, the resin sheet 104 permeates the gas diffusion layers 100d and 100f. As described above, the first gas impermeable layer 108a impregnated with the resin on the outer peripheral portion of the anode side gas diffusion layer 100d and the second gas impermeable layer 108b impregnated with the resin on the outer peripheral portion of the cathode side gas diffusion layer 100f. And are formed. The first gas impermeable layer 108a and the second gas impermeable layer 108b, which are resin-impregnated portions, do not allow gas to permeate.

シート104の材料には、主に熱可塑性樹脂、例えばアクリル、ウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。なお、先にガス拡散層に樹脂含浸させておき、後から高電解質膜100b、アノード側触媒層100e、及びカソード側触媒層100gなどを接合して膜電極接合体100を生成してもよい。 As the material of the sheet 104, mainly thermoplastic resins such as acrylic, urethane, polyethylene, polypropylene, polystyrene and polyvinyl acetate can be used. The gas diffusion layer may be impregnated with a resin first, and then the high electrolyte membrane 100b, the anode-side catalyst layer 100e, the cathode-side catalyst layer 100g, and the like may be bonded to form a membrane electrode assembly 100.

セル枠101の接合方法について、図5を用いて説明する。図5は、セル枠101の接合方法について模式的に示す図である。第1セル枠101a、第2セル枠101b、及び第3セル枠101cには、例えばプラスチックフィルムが用いられる。これによりセル枠101が簡便に構成可能となる。プラスチックフィルムの材質には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、フェノール樹脂、、ポリイミド、ポリアミド、メラミン樹脂、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ABS樹脂、ポリエーテルエチルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリ酢酸ビニル、フッ素樹脂などを用いることが可能である。 The joining method of the cell frame 101 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram schematically showing a method of joining the cell frame 101. For example, a plastic film is used for the first cell frame 101a, the second cell frame 101b, and the third cell frame 101c. This makes it possible to easily configure the cell frame 101. Materials of plastic film include, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polystyrene, polycarbonate, polyurethane, phenol resin, polyimide, polyamide, melamine resin, polyethylene naphthalate, polyacetal, ABS resin, polyether ethyl ketone, polyphenylene ether, poly. It is possible to use vinyl acetate, fluororesin and the like.

先ず、第2セル枠101b、及び第3セル枠101cを、まずプラスチックフィルムから生成する。1種類目の第2セル枠101bは、膜電極接合体100とほぼ同じ厚さのプラスチックフィルムである。第2セル枠101bは、膜電極接合体100が収まるように一枚のプラスチックフィルムの内側を取り除いて生成する。2種類目の第3セル枠101cも一枚のプラスチックフィルムの内側を取り除いて生成する。この場合、第3セル枠101cは、膜電極接合体100と貼り合わせられるように、第2セル枠101bよりも小さい面積の内側のプラスチックフィルムが取り除かれる。第1セル枠101a、及び第3セル枠101cは膜電極接合体100と貼り合わせた後の段差がなるべく小さくなるように、50μm以下の厚さとして生成される。 First, the second cell frame 101b and the third cell frame 101c are first generated from a plastic film. The first type of second cell frame 101b is a plastic film having substantially the same thickness as the membrane electrode assembly 100. The second cell frame 101b is formed by removing the inside of one plastic film so that the membrane electrode assembly 100 can be accommodated. The second type of third cell frame 101c is also generated by removing the inside of one plastic film. In this case, the inner plastic film having an area smaller than that of the second cell frame 101b is removed from the third cell frame 101c so that the third cell frame 101c can be bonded to the membrane electrode assembly 100. The first cell frame 101a and the third cell frame 101c are generated with a thickness of 50 μm or less so that the step after being bonded to the membrane electrode assembly 100 is as small as possible.

そして、これら2種類のプラスチックフィルムである2セル枠101b、及び第3セル枠101cは、接着剤で貼り合わせられる。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。 Then, the two-cell frame 101b and the third-cell frame 101c, which are these two types of plastic films, are bonded together with an adhesive. As the adhesive, acrylic, epoxy, polyethylene, polypropylene, polyester, polyolefin, urethane, polyvinyl acetate and the like can be used.

次に、(B)で示すように、貼り合わせたプラスチックフィルムである第2セル枠101b、及び第3セル枠101cの中に膜電極接合体100を入れて、接着剤で第2セル枠101b、及び第3セル枠101cと膜電極接合体100を貼り合わせる。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。 Next, as shown in (B), the membrane electrode assembly 100 is placed in the second cell frame 101b and the third cell frame 101c, which are bonded plastic films, and the second cell frame 101b is coated with an adhesive. , And the third cell frame 101c and the membrane electrode assembly 100 are bonded together. As the adhesive, acrylic, epoxy, polyethylene, polypropylene, polyester, polyolefin, urethane, polyvinyl acetate and the like can be used.

次に、(C)のように、3つ目のプラスチックフィルムである第1セル枠101aを貼り合わせる。この第1セル枠101aは2種類目のプラスチックフィルムである第3セル枠101cと同じ形状のプラスチックフィルムである。貼り合わせの箇所は、第2セル枠101b及びセル枠の部分と、膜電極接合体100との部分に対してである。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。なお、マニホールドのくりぬき部は、あらかじめプラスチックフィルムに設けておいてもよいし、或いは貼り合わせを完了した後でくりぬいてもよい。このように、50μm以下の厚さの第1セル枠101a、及び第3セル枠101cと膜電極接合体100とを貼り合わせることがより簡易に可能となり、より平坦化した燃料電池セル10がより簡易に生成可能となる。また、樹脂含浸部である第1ガス不透過層108aと第2ガス不透過層108bとは、ガスを透過させないので、ガス拡散層100d、100fのシールも行うことが可能となる。 Next, as shown in (C), the first cell frame 101a, which is the third plastic film, is attached. The first cell frame 101a is a plastic film having the same shape as the third cell frame 101c, which is the second type of plastic film. The bonded portion is for the portion of the second cell frame 101b and the cell frame and the portion of the membrane electrode assembly 100. As the adhesive, acrylic, epoxy, polyethylene, polypropylene, polyester, polyolefin, urethane, polyvinyl acetate and the like can be used. The hollowed out portion of the manifold may be provided on a plastic film in advance, or may be hollowed out after the bonding is completed. As described above, it becomes easier to bond the first cell frame 101a and the third cell frame 101c having a thickness of 50 μm or less to the membrane electrode assembly 100, and the flatter fuel cell 10 becomes more flattened. It can be easily generated. Further, since the first gas impermeable layer 108a and the second gas impermeable layer 108b, which are the resin impregnated portions, do not allow gas to permeate, the gas diffusion layers 100d and 100f can be sealed.

図6は、ガス拡散層100d、100fの樹脂含浸処理とセル枠101の貼り合わせを同時に行う方法例を示す図である。プラスチックフィルムの寸法や材質は図5で示した例と同等のものが使用可能である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of a method in which the resin impregnation treatment of the gas diffusion layers 100d and 100f and the bonding of the cell frame 101 are performed at the same time. The dimensions and materials of the plastic film can be the same as those shown in FIG.

(A)で示すように、第3セル枠101cの上に接着剤を設けておき、次に、(B)に示すように、第2セル枠101bと膜電極接合体100とを乗せる。これらを同時に圧着することで、下側のガス拡散層に接着剤の樹脂が含浸され、同時にセル枠のプラスチックフィルムである第2セル枠101bと第3セル枠101cとも接合される。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。 As shown in (A), an adhesive is provided on the third cell frame 101c, and then, as shown in (B), the second cell frame 101b and the membrane electrode assembly 100 are placed. By simultaneously crimping these, the lower gas diffusion layer is impregnated with the resin of the adhesive, and at the same time, the second cell frame 101b and the third cell frame 101c, which are the plastic films of the cell frame, are also bonded. As the adhesive, acrylic, epoxy, polyethylene, polypropylene, polyester, polyolefin, urethane, polyvinyl acetate and the like can be used.

次に、上部のプラスチックフィルムである第1セル枠101aに接着剤を付け、膜電極接合体100と重ね合わせて圧着する。(C)で示すように上側のガス拡散層に接着剤の樹脂が含浸され、同時にセル枠101第1セル枠101aと第2セル枠101bとも接合される。接着剤としては、アクリル、エポキシ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ウレタン、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。 Next, an adhesive is attached to the first cell frame 101a, which is the upper plastic film, and the adhesive is overlapped with the membrane electrode assembly 100 and crimped. As shown in (C), the upper gas diffusion layer is impregnated with the adhesive resin, and at the same time, the cell frame 101 first cell frame 101a and the second cell frame 101b are also bonded. As the adhesive, acrylic, epoxy, polyethylene, polypropylene, polyester, polyolefin, urethane, polyvinyl acetate and the like can be used.

以上説明したように、本実施形態によれば、膜電極接合体100のガス拡散層100d、100fの外周部に樹脂含浸によるガス不透過層108a、bを設け、ガス不透過層108a、bに対応させてセル枠101を接合させることとした。これにより、ガス拡散層100d、100fをシールすると共にセル枠101をより簡易に接合することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the gas impermeable layers 108a and b by resin impregnation are provided on the outer peripheral portions of the gas diffusion layers 100d and 100f of the membrane electrode assembly 100, and the gas impermeable layers 108a and b are provided. It was decided to join the cell frame 101 in correspondence. This makes it possible to seal the gas diffusion layers 100d and 100f and to join the cell frame 101 more easily.

1:燃料電池、10:燃料電池セル、20:カソードセパレータ、30:アノードセパレータ、100:膜電極接合体、100a:アノード電極、100c:カソード電極、100b:高分子電解質膜、100d:アノード側ガス拡散層、100f:カソード側ガス拡散層、101:セル枠、101a:第1セル枠、101b:第2セル枠、101c:第3セル枠、108a:第1ガス不透過層、108b:第2ガス不透過層。 1: Fuel cell, 10: Fuel cell, 20: Cathode separator, 30: Anode separator, 100: Film electrode junction, 100a: Anode electrode, 100c: Cathode electrode, 100b: Polymer electrolyte membrane, 100d: Anode side gas Diffusion layer, 100f: Cathode gas diffusion layer, 101: Cell frame, 101a: First cell frame, 101b: Second cell frame, 101c: Third cell frame, 108a: First gas impermeable layer, 108b: Second Gas impermeable layer.

Claims (14)

ガス拡散層と、触媒層と、高分子電解質膜と、を積層させた膜電極接合体であって、前記ガス拡散層の外周部に樹脂含浸によるガス不透過層を設けた膜電極接合体と、
前記ガス不透過層に対応させて接合されるセル枠と、
を備える、燃料電池セル。
A membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, and a polyelectrolyte film are laminated, and a membrane electrode assembly in which a gas impermeable layer by impregnation with a resin is provided on the outer peripheral portion of the gas diffusion layer. ,
The cell frame to be joined corresponding to the gas impermeable layer and
Equipped with a fuel cell.
前記セル枠は、三層の枠で構成され、上下層の枠により、前記ガス不透過層と接合される、請求項1に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1, wherein the cell frame is composed of a three-layer frame and is joined to the gas impermeable layer by the upper and lower layers. 前記三層の枠は、互いに接着剤で接合される、請求項2に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 2, wherein the three-layer frames are bonded to each other with an adhesive. 前記三層の枠における上下層の枠を前記ガス不透過層と接合させる材料は、前記樹脂含浸による含浸材料と同じ材料である請求項3に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 3, wherein the material for joining the upper and lower frames of the three-layer frame to the gas impermeable layer is the same material as the impregnated material by the resin impregnation. 前記セル枠は、プラスチックフィルムである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the cell frame is a plastic film. 前記ガス不透過層に含浸される材料は、アクリル、ウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、及びポリ酢酸ビニルのうちの少なくとも1つである、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the material impregnated in the gas impermeable layer is at least one of acrylic, urethane, polyethylene, polypropylene, polystyrene, and polyvinyl acetate. cell. 前記プラスチックフィルムの材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、フェノール樹脂、、ポリイミド、ポリアミド、メラミン樹脂、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ABS樹脂、ポリエーテルエチルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリ酢酸ビニル、及びフッ素樹脂のうちの少なくとも1つである、請求項5に記載の燃料電池セル。 The material of the plastic film is polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polystyrene, polycarbonate, polyurethane, phenol resin, polyimide, polyamide, melamine resin, polyethylene naphthalate, polyacetal, ABS resin, polyether ethyl ketone, polyphenylene ether, polyacetic acid. The fuel cell according to claim 5, which is at least one of vinyl and a fluororesin. 前記燃料電池セルは、固体高分子形燃料電池セルである、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルのアノード電極に接触した燃料流路を有するアノードセパレータと、
前記燃料電池セルのカソード電極に接触した酸化剤流路を有するカソードセパレータと、
を備える、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 8 and the fuel cell.
An anode separator having a fuel flow path in contact with the anode electrode of the fuel cell,
A cathode separator having an oxidant flow path in contact with the cathode electrode of the fuel cell,
Equipped with a fuel cell.
ガス拡散層と、触媒層と、電解質膜と、を積層させた膜電極接合体の前記ガス拡散層の外周部に熱可塑性樹脂のシートを配置する工程と、
前記シートを前記ガス拡散層に熱圧着し、前記ガス拡散層に樹脂含浸させたガス不透過層を生成する工程と、
を備える、燃料電池セルの製造方法。
A step of arranging a sheet of a thermoplastic resin on the outer peripheral portion of the gas diffusion layer of a membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, and an electrolyte membrane are laminated.
A step of thermocompression bonding the sheet to the gas diffusion layer to form a gas impermeable layer in which the gas diffusion layer is impregnated with a resin.
A method of manufacturing a fuel cell.
前記ガス不透過層に対応してセル枠を接合させる工程を、
更に備える、請求項10に記載の燃料電池セルの製造方法。
The step of joining the cell frame corresponding to the gas impermeable layer,
The method for manufacturing a fuel cell according to claim 10, further comprising.
前記ガス不透過層を生成した後に、前記ガス不透過層に対応してセル枠を接合させる工程を行う、請求項11に記載の燃料電池セルの製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to claim 11, wherein after the gas impermeable layer is generated, a step of joining the cell frame corresponding to the gas impermeable layer is performed. 前記ガス不透過層を生成する工程と、前記ガス不透過層に対応してセル枠を接合させる工程とを同時に行う、請求項11に記載の燃料電池セルの製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to claim 11, wherein the step of forming the gas impermeable layer and the step of joining the cell frame corresponding to the gas impermeable layer are simultaneously performed. 前記シートの材料は、アクリル、ウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、及びポリ酢酸ビニルのうちの少なくとも1つである、請求項10乃至13のいずれか一項に記載の燃料電池セルの製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to any one of claims 10 to 13, wherein the material of the sheet is at least one of acrylic, urethane, polyethylene, polypropylene, polystyrene, and polyvinyl acetate.
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