JP2022029313A - Fuel battery cell, fuel battery and manufacturing method for fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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:2H2→4H++4e-
酸化剤極反応:O2+4H++4e-→4H2O
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
[Chemical formula 1]
Fuel electrode reaction: 2H 2 → 4H + + 4e -
Oxidizing agent pole reaction: O 2 + 4H + + 4e- → 4H 2 O
The
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
(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
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
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
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)
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.
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.
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.
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