JP4581702B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関し、とくに触媒層端縁部位での膜の耐久性を向上できる燃料電池に関する。 The present invention relates to fuel cells, especially relates to fuel cells which can improve the durability of the film at the catalyst layer edges site.
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ(Membrane-Electrode Assembly 、MEA)に拡散層を接合して膜−電極−拡散層アッセンブリ(Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly 、MEGA)を形成し、MEGAを一対のセパレータで挟んだものから構成される。少なくとも1つの単位燃料電池からモジュールを構成し、モジュールを複数積層して(積層方向は任意)燃料電池スタックが構成される。
一般に電極(触媒層)の平面形状は、電解質膜より一回り小さくされている(たとえば、特開2004−119065号公報)。この種のMEAでは、MEAはその端縁に沿った部位で膜のみの厚みとなって、それより内側の、膜とその両面に触媒層がある部分に比べて、厚みが薄い。このMEAに従来の手法で拡散層を圧着すると、図10に示すように、触媒層12(15)の端縁に電解質膜11と拡散層13(16)の間に空間1ができ、その近傍の拡散層の密度が局所的に薄くなる。
In general, the planar shape of an electrode (catalyst layer) is made slightly smaller than that of an electrolyte membrane (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-119065). In this type of MEA, the MEA has a thickness only at the portion along the edge thereof, and is thinner than the inner portion of the MEA and the portion having the catalyst layers on both sides thereof. When the diffusion layer is pressure-bonded to this MEA by a conventional method, a space 1 is formed between the
触媒層端縁に空間ができること、あるいは触媒層端縁の近傍の拡散層密度が局所的に小さくなることによって、空間または拡散層の局所的な密度低下部分に発電の結果生成される生成水が溜まりやすくなり、生成水に含まれる、水生成の過程で中間生成物として一時的にできる過酸化水素とそれと共存するラジカルも溜まりやすくなる。その結果、空間または拡散層の局所的な密度低下部分の近傍で電解質膜が攻撃されて、電解質膜が局所的に徐々に痩せ、その結果その部位でクロスリークが生じやすくなるなど、膜の耐久性が局所的に低下する。 Due to the space at the edge of the catalyst layer or the local density of the diffusion layer near the edge of the catalyst layer being locally reduced, the generated water generated as a result of power generation is generated at the local density-decreasing portion of the space or diffusion layer. It becomes easy to accumulate, and hydrogen peroxide that is temporarily formed as an intermediate product in the water generation process and radicals coexisting with it are also likely to accumulate. As a result, the electrolyte membrane is attacked in the vicinity of the local density-decreasing portion of the space or the diffusion layer, and the electrolyte membrane gradually fades locally. Sexually decreases.
本発明の目的は、触媒層端縁での膜の耐久性の低下を抑制することができる燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cells that can suppress the deterioration of the durability of the film at the catalyst layer edges.
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 膜−電極アッセンブリに拡散層を接合した膜−電極−拡散層アッセンブリと、該膜−電極−拡散層アッセンブリを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池であって、膜−電極アッセンブリは互いに厚みが異なる第1の部分と第2の部分を有し第1の部分の厚みは第2の部分の厚みより小であり、拡散層は膜−電極アッセンブリの第1の部分に接合される第1の拡散層部分と膜−電極アッセンブリの第2の部分に接合される第2の拡散層部分とを有し第1の拡散層部分の密度は第2の拡散層部分の密度以上であり、
セパレータは膜−電極アッセンブリの第1の部分に対応する第1のセパレータ部分と膜−電極アッセンブリの第2の部分に対応する第2のセパレータ部分とを有し第1のセパレータ部分は第2のセパレータ部分よりも拡散層側に突出しており、
膜−電極アッセンブリの第1の部分は燃料電池の外周部に位置し、膜−電極アッセンブリの第2の部分は燃料電池の内周部に位置している、
燃料電池。
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell comprising a membrane-electrode-diffusion layer assembly in which a diffusion layer is joined to a membrane-electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane-electrode-diffusion layer assembly, wherein the membrane-electrode assembly is The first portion has a thickness different from the thickness of the second portion, and the diffusion layer is bonded to the first portion of the membrane-electrode assembly. A first diffusion layer portion and a second diffusion layer portion joined to the second portion of the membrane-electrode assembly, the density of the first diffusion layer portion being equal to or higher than the density of the second diffusion layer portion; The
The separator has a first separator portion corresponding to the first portion of the membrane-electrode assembly and a second separator portion corresponding to the second portion of the membrane-electrode assembly, the first separator portion being a second separator portion. It protrudes to the diffusion layer side from the separator part,
A first portion of the membrane-electrode assembly is located on the outer periphery of the fuel cell, and a second portion of the membrane-electrode assembly is located on the inner periphery of the fuel cell;
Fuel cell.
上記(1)の燃料電池によれば、第1の拡散層部分の密度は第2の拡散層部分の密度以上であるので、触媒層端縁の第1の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。 According to the fuel cell of (1 ), since the density of the first diffusion layer portion is equal to or higher than the density of the second diffusion layer portion, the generated water is unlikely to accumulate in the first diffusion layer portion at the edge of the catalyst layer. In addition, membrane attack substances are less likely to accumulate, and the durability of the membrane is improved.
また、第1のセパレータ部分は第2のセパレータ部分よりも拡散層側に突出しているので、一対のセパレータで挟まれた際に、第1の拡散層部分の厚みが圧縮される。その結果、触媒層端縁の空間が小さくなるとともに第1の拡散層部分の密度が高くなり、触媒層端縁の空間および触媒層端縁の第1の拡散層部分に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。Moreover, since the 1st separator part protrudes in the diffused layer side rather than the 2nd separator part, when sandwiched between a pair of separators, the thickness of the 1st diffused layer part is compressed. As a result, the catalyst layer edge space is reduced and the density of the first diffusion layer portion is increased, and the generated water is less likely to accumulate in the catalyst layer edge space and the first diffusion layer portion of the catalyst layer edge, Membrane attack substances are also difficult to accumulate, and the durability of the membrane is improved.
以下に、本発明の燃料電池を、参考例とともに、図1〜図9を参照して説明する。
〔燃料電池の一般構成〕
本発明の燃料電池セパレータが組み付けられる燃料電池10は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池10である。該燃料電池10は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
図7〜図9に示すように、固体高分子電解質型燃料電池10は、膜−電極アッセンブリ12(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18とを重ねたものからなる。
Hereinafter, the fuel cells of the present invention, together with reference examples will be described with reference to FIGS. 1-9.
[General configuration of fuel cell]
The
As shown in FIGS. 7 to 9, the solid polymer
膜−電極アッセンブリ12は、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層13、16が設けられる。拡散層13、16は膜−電極アッセンブリ12に圧着(熱圧着である場合を含む)されてもよく、その場合は、膜−電極アッセンブリ12とそれに圧着された拡散層13、16は膜−電極−拡散層アッセンブリ15(MEGA:Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly)を構成する。
The membrane-
セパレータ18には、中央部に、アノード14、カソード17に燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための反応ガス流路27、28(燃料ガス流路27、酸化ガス流路28)と、その裏面に冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26が形成されている。
また、セパレータ18には、外周部に、燃料ガス流路27に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド30、酸化ガス流路28に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド31、冷媒流路26に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド29が形成されている。
The
The
膜−電極アッセンブリ12とセパレータ18を重ねて単位燃料電池(「単セル」ともいう)10を構成し、セルを1つ以上積層してモジュール19とし、モジュール積層体(セル積層体ともいう)のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、エンドプレート22をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)に、ボルト・ナット25により固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、燃料電池スタック23を構成する。
A unit fuel cell (also referred to as “single cell”) 10 is formed by stacking the membrane-
流体流路26、27、28、29、30、31、34をシールするために、ガス側のシール材33および冷媒側のシール32が設けられる。図示例では、ガス側シール材33が接着剤からなり、冷媒側シール材32がゴムガスケットからなる場合を示している。ただし、ガス側シール材33も冷媒側シール材32も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。
In order to seal the
各セル19の、アノード側14では、水素を水素イオン(プロトン)と電子に電離する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜11中をカソード側に移動し、カソード17側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
On the
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
一般に触媒層14、17(アノード触媒層はアノード電極14と同じであるため符号を14とし、カソード触媒層はカソード電極17と同じであるため符号を17とする)の平面形状は電解質膜11の平面形状より一回り小さいため、MEA12のうち、膜11のみからなる第1の部分(外周部)12aと、膜11と触媒層14、17とからなる第2の部分12b(内周部、発電領域部)とは、厚さが互いに異なり、MEA12の第1の部分12aの厚さはMEA12の第2の部分12bの厚さより小である。このため、MEA12に拡散層13、16を圧着してMEGA15を製作した場合、従来は、図10に示すように、触媒層12(15)の端縁に電解質膜11と拡散層13(16)の間に空間1ができ、その近傍の拡散層の密度が局所的に薄くなって、空間または拡散層の密度が局所的に薄くなった部位に生成水、過酸化水素、ラジカルが溜まりやすくなり、膜11の比較的早期の劣化につながるという問題があることは前述した通りである。
これを抑制するための、本発明の燃料電池10は、以下の通りである。
In general, the planar shape of the
In order to suppress this, the
〔燃料電池10の生成水溜まり抑制のため参考例1、2と実施例1の共通構成〕
図4〜6に示すように、燃料電池10は、膜−電極アッセンブリ12が互いに厚みが異なる第1の部分12aと第2の部分12bを有し第1の部分12aの厚みは第2の部分の厚み12bより小であり、拡散層13、16は膜−電極アッセンブリ12の第1の部分12aに接合(圧着)される第1の拡散層部分13a、16aと膜−電極アッセンブリ12の第2の部分12bに接合される第2の拡散層部分13b、16bとを有する。
第1の拡散層部分13a、16aの密度は第2の拡散層部分13b、16bの密度以上である。また、触媒層14、17の端縁に沿って、第1の拡散層部分13a、16aと膜11との間に形成される空間2は、空間2に対応する従来の空間1に比べて小さいか、あるいは空間2が形成されていない。
膜−電極アッセンブリ12の電極触媒層14、17は膜の一面に形成されたアノード触媒層14と膜の他面に形成されたカソード触媒層17を含み、カソード触媒層17の縁がアノード触媒層14の縁とセル面内方向において同じ位置に位置する。ただし、カソード触媒層17の縁がアノード触媒層14の縁よりセル面内において内側に位置していてもよい。
第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上とする構成は以下の参考例1、2と実施例1の何れかによる。
[Common configuration of Reference Examples 1 and 2 and Example 1 for suppressing water pool of fuel cell 10]
As shown in FIGS. 4 to 6, the
The density of the first
The electrode catalyst layers 14 and 17 of the membrane-
The configuration in which the density of the first
〔燃料電池10の生成水溜まり抑制のための参考例1の構成〕
参考例1では、図4に示すように、拡散層13、16が膜−電極アッセンブリ12にホットプレスされる際に拡散層13、16の外周部である第1の部分13a、16aに拡散層13、16の内周部である第2の部分13b、16bより高い面圧をかけることにより、拡散層13、16の第1の部分13a、16aの圧縮率を拡散層13、16の第2の部分13b、16bの圧縮率より上げ、第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上とする。
[Configuration of Reference Example 1 for Suppressing Generated Water Pool of Fuel Cell 10]
In Reference Example 1, as shown in FIG. 4, when the diffusion layers 13 and 16 are hot-pressed to the membrane-
〔燃料電池10の生成水溜まり抑制のための参考例2の構成〕
参考例2では、図6に示すように、膜−電極−拡散層アッセンブリ15が一対のセパレータ18で挟まれる前の、第1の拡散層部分13aの密度と第2の拡散層部分16bの密度が同じ状態では、第1の拡散層部分13aの厚みが第2の拡散層部分16bの厚みより大とする。こうすることによって、膜−電極−拡散層アッセンブリ15が一対のセパレータ18で挟まれた後には、第1の拡散層部分13a、16aがセパレータ18で圧縮されて、第1の拡散層部分13a、16aの密度は第2の拡散層部分13b、16bの密度以上となる。
[Configuration of Reference Example 2 for Suppressing Generated Water Pool of Fuel Cell 10]
In Reference Example 2, as shown in FIG. 6 , the density of the first
〔燃料電池10の生成水溜まり抑制のための実施例1の構成〕
本発明の実施例1では、図5に示すように、セパレータ18が膜−電極アッセンブリ12の第1の部分12aに対応する第1のセパレータ部分18aと膜−電極アッセンブリ12の第2の部分12bに対応する第2のセパレータ部分18bとを有し、第1のセパレータ部分18aは第2のセパレータ部分18bよりも拡散層13、16側に突出している。こうすることによって、膜−電極−拡散層アッセンブリ15が一対のセパレータ18で挟まれた後には、第1の拡散層部分13a、16aがセパレータ18の第1の部分18aで圧縮されて、第1の拡散層部分13a、16aの密度は第2の拡散層部分13b、16bの密度以上となる。参考例1と実施例1の違いは、実施例1では、第1の拡散層部分13aの密度と第2の拡散層部分16bの密度が同じ状態では、第1の拡散層部分13aの厚みが第2の拡散層部分16bの厚みより大であるのに対し、参考例1では、第1の拡散層部分13aの密度と第2の拡散層部分16bの密度が同じ状態では、第1の拡散層部分13aの厚みと第2の拡散層部分16bの厚みとが同じであってもよく、ホットプレスの際に拡散層13、16の第1の部分13a、16aの面圧を上げて圧縮率を高くした点である。
[Configuration of Embodiment 1 for Suppressing Generated Water Pool of Fuel Cell 10]
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5 , the
〔燃料電池10の参考例1、2、実施例1の共通構成による作用・効果〕
第1の拡散層部分13a、16aの密度が第2の拡散層部分13b、16bの密度より高いので、触媒層12、15端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質(過酸化水素、ラジカル)も溜まりにくく、電解質膜11の耐久性が向上する。
[Operation / Effects of Common Configurations of Reference Examples 1 and 2 and Example 1 of Fuel Cell 10]
Since the density of the first
〔燃料電池10の参考例1の構成による作用・効果〕
本発明の参考例1の燃料電池では、拡散層13、16が膜−電極アッセンブリ12にホットプレスされる際に、第1の拡散層部分13a、16aが第2の拡散層部分13b、16bより高い面圧で圧縮され圧縮率が上げられているので、触媒層端縁の空間2が小さくなるとともに第1の拡散層部分13a、16aの密度が高くなり、触媒層端縁の空間2および触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質(過酸化水素、およびそれと共存するラジカル)も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
[Operation / Effects of Configuration of Reference Example 1 of Fuel Cell 10]
In the fuel cell of Reference Example 1 of the present invention, when the diffusion layers 13 and 16 are hot pressed to the membrane-
〔燃料電池10の参考例2の構成による作用・効果〕
本発明の参考例2の燃料電池では、膜−電極−拡散層アッセンブリ15が一対のセパレータ18で挟まれる前の、第1の拡散層部分13a、16aの密度と第2の拡散層部分13b、16bの密度が同じ状態では、第1の拡散層部分13a、16aの厚みが第2の拡散層部分13b、16bの厚みより大とされた場合は、膜−電極−拡散層アッセンブリ15が一対のセパレータ18で挟まれた際に、第1の拡散層部分13a、16aの厚みが圧縮される。その結果、触媒層14、17端縁の空間2が小さくなるとともに、第1の拡散層部分13a、16aの密度が高くなり、触媒層端縁の空間2および触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
[Operation / Effects of Configuration of Reference Example 2 of Fuel Cell 10]
In the fuel cell of Reference Example 2 of the present invention, the density of the first
〔燃料電池10の実施例1の構成による作用・効果〕
本発明の実施例2の燃料電池では、第1のセパレータ部分18aが第2のセパレータ部分18bよりも拡散層13、16側に突出しているので、一対のセパレータ18で挟まれた際に、第1の拡散層部分13a、16aの厚みが縮小され、第1の拡散層部分13a、16aが圧縮される。その結果、触媒層端縁の空間2が小さくなる(あるいは、なくなる)とともに第1の拡散層部分13a、16aの密度が高くなり、触媒層端縁の空間2および触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質(過酸化水素、およびそれと共存するラジカル)も空間2または第1の拡散層部分13a、16aに溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
[Operation / Effect of Configuration of
In the fuel cell of Example 2 of the present invention, the
〔燃料電池10の製造方法の生成水溜まり抑制のための参考例1、2、実施例1の共通構成〕
本発明の燃料電池10の製造方法は、膜−電極アッセンブリ12は互いに厚みが異なる第1の部分12aと第2の部分12bを有し第1の部分12aの厚みは第2の部分12bの厚みより小である膜−電極アッセンブリ12に、膜−電極アッセンブリの第1の部分に圧着される第1の拡散層部分13a、16aと膜−電極アッセンブリの第2の部分12bに接合される第2の拡散層部分13b、16bとを有する拡散層13、16を接合して膜−電極−拡散層アッセンブリ15を形成する工程を有する燃料電池の製造方法であって、膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件にて拡散層13、16を膜−電極アッセンブリ12に圧着する方法からなる。
第1の拡散層部分13a、16aの密度は第2の拡散層部分13b、16bの密度以上である。また、触媒層14、17の端縁に沿って、第1の拡散層部分13a、16aと膜11との間に形成される空間2は、空間2に対応する従来の空間1に比べて小さいか、あるいは空間2が形成されていない。
[Common configurations of Reference Examples 1 and 2 and Example 1 for suppressing a pool of generated water in the manufacturing method of the fuel cell 10]
In the manufacturing method of the
The density of the first
膜−電極アッセンブリ12の第1の部分12aは膜11のみからなる部分であり、膜−電極アッセンブリ12の第2の部分12bは膜11と電極触媒層14、17を含む部分である。
膜−電極アッセンブリ12の電極触媒層14、17は膜の一面に形成されたアノード触媒層14と膜の他面に形成されたカソード触媒層17を含み、カソード触媒層17の縁がアノード触媒層14の縁とセル面内方向において同じ位置に位置する。ただし、カソード触媒層17の縁がアノード触媒層14の縁よりセル面内において内側に位置していてもよい。
膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件にて拡散層13、16を膜−電極アッセンブリ12に圧着する方法は以下の方法の参考例1、2、実施例1の何れかによる。
The
The electrode catalyst layers 14 and 17 of the membrane-
The method of pressure-bonding the diffusion layers 13 and 16 to the membrane-
〔燃料電池10の製造方法の、生成水溜まり抑制のための参考例1の構成〕
燃料電池10の製造方法の参考例1は第1、第2、第3の方法を含む。
製造方法の参考例1の第1の方法では、図1に示すように、膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件が圧力であり、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより高い圧力にて膜−電極アッセンブリ12に圧着する。図1では、同一工程内で、プレス機50の、触媒端部を接合する部位の高さを変更する。プレス機50の、膜−電極アッセンブリ12の第1の部分12aを押す第1の部分50aと、膜−電極アッセンブリ12の第2の部分12bを押す第2の部分50bとの高さを変え、第1の部分50aが第2の部分50bより膜−電極アッセンブリ12側に突出するようにする。このプレス機50を用いてプレスすることにより、第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上にする。
[Configuration of Reference Example 1 for Suppressing Generated Water Pool in Manufacturing Method of Fuel Cell 10]
Reference example 1 of the method for manufacturing the
In the first method of Reference Example 1 of the manufacturing method, as shown in FIG. 1, the pressure is a different condition depending on the thickness of the membrane-
燃料電池10の製造方法の参考例1の第2の方法では、図2に示すように、膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件が温度であり、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより高い温度にて膜−電極アッセンブリ12に圧着する。たとえば、プレス機50の第2の拡散層部分13b、16bを押す部分50bの温度が100℃とすると、第1の拡散層部分13a、16aを押す部分50aの温度が、それより所定温度(たとえば、20℃)以上高くされて、120℃以上といった具合である。このプレス機50を用いてプレスすることにより、第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上にする。
温度と圧力を同時にかけてもよい。すなわち、参考例1の第1の方法と第2の方法とを同時に実行してもよい。
In the second method of Reference Example 1 of the manufacturing method of the
You may apply temperature and pressure simultaneously. That is , the first method and the second method of Reference Example 1 may be executed simultaneously.
燃料電池10の製造方法の参考例1の第3の方法では、図3に示すように、膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件が時間であり、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより長時間膜−電極アッセンブリ12に圧着する。
長時間の圧着は再プレスの時間を含んでもよい。図3は、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bを一体型で押圧した後、第1の拡散層部分13a、16aのみを再プレス型50aで再プレスする場合を示している。第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより長時間膜−電極アッセンブリ12に圧着することにより、第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上にする。
In the third method of Reference Example 1 of the manufacturing method of the
Long-time crimping may include re-pressing time. In FIG. 3, after the first
本発明の製造方法の参考例1の第4の方法では、図6に示すように、膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件が拡散層の材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量であり、第1の拡散層部分13a、16aの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量を第2の拡散層部分13b、16bの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層13、16を膜−電極アッセンブリ12にプレス機にて圧着する。プレスによる圧着後は、一対のセパレータ18で挟む前の段階で、第1の拡散層部分13a、16aと第2の拡散層部分13b、16bの厚さが同じで、かつ、第1の拡散層部分13a、16aの密度が第2の拡散層部分13b、16bの密度以上となる。
参考例1の第4の方法と実施例1との違いは、実施例1ではMEGAの段階で第1の部分と第2の部分とが異なり、セパレータで挟まれてスタックの荷重がかかることにより第1の部分と第2の部分とが同じ厚さになるのに対し、参考例1の第4の方法では、MEGAの段階では第1の部分と第2の部分とが同じ厚さであり、プレス機でプレスされて第1の部分と第2の部分とが同じ厚さになることである。
In the fourth method of Reference Example 1 of the manufacturing method of the present invention, as shown in FIG. 6, different conditions depending on the thickness of the membrane-
The difference between the fourth method of Reference Example 1 and Example 1 is that in Example 1 , the first part and the second part are different in the MEGA stage, and the stack load is applied between the separators. Whereas the first part and the second part have the same thickness, in the fourth method of Reference Example 1, the first part and the second part have the same thickness at the MEGA stage. The first part and the second part have the same thickness when pressed by a press.
〔燃料電池10の製造方法の、生成水溜まり抑制のための参考例2の構成〕[Configuration of Reference Example 2 for Suppressing Generated Water Pool in Manufacturing Method of Fuel Cell 10]
燃料電池10の参考例2の製造方法は、図6に示すように、膜−電極−拡散層アッセンブリ15を形成する工程と、一対のセパレータ18にて膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟んでセル10を形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟む前は第1の拡散層部分13a、16aの厚みを第2の拡散層部分13b、16bの厚みより大にしておくことにより、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟んだ時に第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより強く圧縮して第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上とする方法からなる。参考例2の製造方法では、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟み、セル10を積層してスタック化する時にスタック締結荷重をかけて第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより強く圧縮する(プレス機で第1の拡散層部分13a、16aを圧縮するのではない)。As shown in FIG. 6, the manufacturing method of Reference Example 2 of the
〔燃料電池10の製造方法の、生成水溜まり抑制のための実施例1の構成〕
本発明の実施例1の製造方法は、図5に示すように、膜−電極−拡散層アッセンブリ15を形成する工程と、膜−電極アッセンブリの第1の部分に対応する第1のセパレータ部分18aと膜−電極アッセンブリの第2の部分に対応する第2のセパレータ部分18bとを有する一対のセパレータ18にて膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟んでセル10を形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、セパレータ18の第1のセパレータ部分18aを第2のセパレータ部分18bよりも拡散層13、16側に突出させておくことにより、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟んだ時に第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより強く圧縮して第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上とする方法からなる。実施例2ではセパレータ18にリブ(第1のセパレータ部分18aで拡散層13、16側に突出させた部分)を形成しておいてリブで第1の拡散層部分13a、16aを強く圧縮する。
[Configuration of Example 1 for Controlling Generated Water Puddle in Manufacturing Method of Fuel Cell 10]
As shown in FIG. 5, the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention includes a step of forming a membrane-electrode-
〔燃料電池10の製造方法の参考例1、2、実施例1に共通の作用・効果〕
参考例1、2、実施例1の製造方法では、膜−電極アッセンブリ12の厚みに応じて異なる条件にて拡散層13、16を膜−電極アッセンブリ12に圧着するので、第1の拡散層部分13a、16aの圧着条件を第2の拡散層部分13b、16bの圧着条件より厳しくすることにより、触媒層14、17端縁の空間2を小さくするか、または、第1の拡散層部分13a、16aの密度を高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
[Operations and effects common to Reference Examples 1 and 2 and Example 1 of manufacturing method of fuel cell 10]
In the manufacturing methods of Reference Examples 1 and 2 and Example 1, the diffusion layers 13 and 16 are pressure-bonded to the membrane-
〔燃料電池10の製造方法の参考例1の作用・効果〕
参考例1の第1の方法では、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより高い圧力にて膜−電極アッセンブリ12に圧着するので、触媒層14、17の端縁の空間2を小さくするか、または、第1の拡散層部分13a、16aの密度を高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
[Operation / Effect of Reference Example 1 of Manufacturing Method of Fuel Cell 10]
In the first method of Reference Example 1, the first
参考例1の第2の方法では、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより高い温度にて膜−電極アッセンブリ12に圧着するので、第1の拡散層部分13a、16aをそのほとんど全域で膜11に密着させるとともに溶着でき、触媒層14、17の端縁の空間2を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。第2の拡散層部分13b、16bを高温で圧着しないため、膜11の変質と発電性能低下は発生しない。
In the second method of Reference Example 1, the first
参考例1の第3の方法では、第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより長時間、膜−電極アッセンブリ12に圧着するので、第1の拡散層部分13a、16aをそのほとんど全域で膜11に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間2を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間2に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。
In the third method of Reference Example 1, the first
参考例1の第3の方法における、長時間は再プレスの時間を含み、第1の拡散層部分13a、16aを条件を変えて再プレスすることにより、第1の拡散層部分13a、16aをそのほとんど全域で膜11に密着させるとともに溶着でき、触媒層端縁の空間2を小さくすることができる。その結果、触媒層端縁の空間2に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜の耐久性が向上する。発電領域に対応する第2の拡散層部分13b、16bは長時間プレスせずガス拡散性、電極へのガス供給性を良好なままとする。
In the third method of Reference Example 1, the long time includes the re-pressing time, and the first
参考例1の第4の方法では、第1の拡散層部分13a、16aの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量を第2の拡散層部分13b、16bの材料および撥水剤の何れか少なくとも一方の量より増やして拡散層を膜−電極アッセンブリに圧着するので、第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度に比べて高くすることができる。その結果、触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aに生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
In the fourth method of Reference Example 1, at least one of the material of the first
〔燃料電池10の製造方法の参考例2の作用・効果〕[Operation / Effect of Reference Example 2 of Manufacturing Method of Fuel Cell 10]
参考例2の方法では、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟む前は第1の拡散層部分13a、16aの厚みを第2の拡散層部分13b、16bの厚みより大にしておくので、セル化、スタック化時に、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟んだ時に第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより強く圧縮して第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上とするとともに、触媒層端縁の空間2を縮小することができる。その結果、触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aおよび空間2に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。In the method of Reference Example 2, before the membrane-electrode-
〔燃料電池10の製造方法の実施例1の作用・効果〕
本発明の実施例1の方法では、セパレータ18の第1のセパレータ部分18aを第2のセパレータ部分18bよりも拡散層13、16側に突出させておくので、一対のセパレータ18で膜−電極−拡散層アッセンブリ15を挟んでスタック締結荷重をかけた時に第1の拡散層部分13a、16aを第2の拡散層部分13b、16bより強く圧縮して第1の拡散層部分13a、16aの密度を第2の拡散層部分13b、16bの密度以上とするとともに、触媒層端縁の空間2を縮小することができる。その結果、触媒層端縁の第1の拡散層部分13a、16aおよび空間2に生成水が溜まりにくく、膜攻撃物質も溜まりにくく、膜11の耐久性が向上する。
[Operation / Effect of Example 1 of Manufacturing Method of Fuel Cell 10]
In the method according to the first embodiment of the present invention, the
10 燃料電池
11 電解質膜
12 膜−電極アッセンブリ(MEA)
12a 第1の部分
12b 第2の部分
13 拡散層
13a 第1の拡散層部分
13b 第2の拡散層部分
14 電極(アノード、燃料極)
15 膜−電極−拡散層アッセンブリ(MEGA)
16 拡散層
16a 第1の拡散層部分
16b 第2の拡散層部分
17 電極(カソード、空気極)
18 セパレータ
18a 第1のセパレータ部分
18b 第2のセパレータ部分
19 モジュール
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 スタック
24 締結部材(テンションプレート)
25 ボルト
26 冷媒流路
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29 冷媒マニホールド
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 冷媒側シール材(たとえば、ゴムガスケット)
33 ガス側シール材(たとえば、接着剤)
50 プレス機
50a プレス機の第1の部分
50b プレス機の第2の部分
10
12a
15 Membrane-electrode-diffusion layer assembly (MEGA)
16
18
25
33 Gas side sealing material (for example, adhesive)
50
Claims (1)
セパレータは膜−電極アッセンブリの第1の部分に対応する第1のセパレータ部分と膜−電極アッセンブリの第2の部分に対応する第2のセパレータ部分とを有し第1のセパレータ部分は第2のセパレータ部分よりも拡散層側に突出しており、
膜−電極アッセンブリの第1の部分は燃料電池の外周部に位置し、膜−電極アッセンブリの第2の部分は燃料電池の内周部に位置している、
燃料電池。 A fuel cell comprising a membrane-electrode-diffusion layer assembly in which a diffusion layer is joined to a membrane-electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane-electrode-diffusion layer assembly, wherein the membrane-electrode assembly has a thickness of each other The first portion has a different first portion and a second portion, the thickness of the first portion being less than the thickness of the second portion, and the diffusion layer is bonded to the first portion of the membrane-electrode assembly. diffusion layer section and the membrane - the density of the first diffusion layer portion and a second diffusion layer portion bonded to the second portion of the electrode assembly Ri der than the density of the second diffusion layer portion,
The separator has a first separator portion corresponding to the first portion of the membrane-electrode assembly and a second separator portion corresponding to the second portion of the membrane-electrode assembly, the first separator portion being a second separator portion. It protrudes to the diffusion layer side from the separator part,
A first portion of the membrane-electrode assembly is located on the outer periphery of the fuel cell, and a second portion of the membrane-electrode assembly is located on the inner periphery of the fuel cell;
Fuel cell.
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