JP5364990B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜を保護するための保護フィルムを備える燃料電池を構成する技術に関する。 The present invention relates to a technique for constituting a fuel cell including a protective film for protecting an electrolyte membrane.
従来から、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly )と、セパレータとを積層して積層方向に締結する、いわゆるスタック構造の燃料電池が開発されている(下記特許文献1,2参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell having a so-called stack structure in which a membrane electrode assembly (MEA) and a separator are stacked and fastened in a stacking direction has been developed (see
燃料電池に用いられるMEAとして、電解質膜と、電解質膜上に配置された触媒層と、触媒層上に配置された多孔質体のガス拡散層と、電解質膜を保護するための保護フィルムとを備えるものがある。 MEAs used for fuel cells include an electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on the electrolyte membrane, a porous gas diffusion layer disposed on the catalyst layer, and a protective film for protecting the electrolyte membrane. There is something to prepare.
図5は、従来における保護フィルムを備えたMEAの断面の一例を示す説明図である。このMEA500は、電解質膜510と、触媒層511と、ガス拡散層520と、保護フィルム540と、を備えている。なお、MEA500の縁を囲むようにガスケット550が配置されている。触媒層511は、電解質膜510の各面(アノード面及びカソード面)の中央部分に配置されている。保護フィルム540は、厚みの小さな電解質膜510を保護するためのフィルムである。この保護フィルム540は、電解質膜510のうち触媒層511の配置されていない端部分を覆うように配置されている。ガス拡散層520は、例えば、カーボンペーパーなどの多孔質体をガス拡散層520上に圧着して構成される。
FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a cross section of a conventional MEA equipped with a protective film. The MEA 500 includes an
ここで、保護フィルム540は、触媒層511と重なる重なり部分535を形成するように配置されている。これは、保護フィルム540を配置する際の製造マージンや、燃料電池稼動時に電解質膜510が水平方向に伸張しても電解質膜を保護できるようにするため等の理由による。この重なり部分535では、触媒層511と電解質膜510と保護フィルム540とが積層している。したがって、多孔質体をガス拡散層520上に圧着すると、ガス拡散層520において他の部分よりも積層方向に突出した凸部525が形成されることとなる。
Here, the
このようなMEA500にセパレータ(図示省略)を積層して締結荷重を加えると、突出した凸部525に大きな荷重が掛かり、他の部分には十分に荷重が掛からないこととなる。そこで、凸部525以外の部分にも十分な荷重を掛けようとすると、燃料電池全体として非常に大きな荷重(締結力)が必要となるという問題があった。また、大きな力でMEA500とセパレータとを締結した場合、他の部分よりも突出した凸部525に非常に大きな荷重が掛かってしまい、凸部525においてMEA500が損傷するおそれもあった。なお、上記の問題は、ガス拡散層がMEAの一部として構成されておらず、MEAとは異なる他の部材としてMEAの上に積層される場合においても発生し得る。
When a separator (not shown) is laminated on such an
本発明は、電解質膜を保護するための保護シートを備える燃料電池において、燃料電池を構成する各部材を積層方向に締結するための荷重が非常に大きくなってしまうことを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention is a fuel cell including a protective sheet for protecting an electrolyte membrane, and can suppress an extremely large load for fastening each member constituting the fuel cell in the stacking direction. The purpose is to provide technology.
前述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜上に積層された触媒層と、前記触媒層から見て前記電解質膜とは反対側に配置されたガス拡散層と、前記電解質膜のうち前記触媒層が積層されていない領域を覆うと共に、前記触媒層と重なる重なり部を有する前記電解質膜用の保護フィルムと、前記ガス拡散層と対向して配置されるセパレータと、を備え、前記セパレータと前記ガス拡散層とのうちの少なくとも一方が、前記重なり部に対応する対応領域において、前記対応領域を除く他の領域に比べて積層方向の厚みが小さくなるように構成されていることを要旨とする。 In order to solve at least a part of the aforementioned problems, a fuel cell of the present invention includes an electrolyte membrane, a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane, and a side opposite to the electrolyte membrane as viewed from the catalyst layer. The gas diffusion layer disposed, a region of the electrolyte membrane in which the catalyst layer is not laminated, and a protective film for the electrolyte membrane having an overlapping portion overlapping the catalyst layer, and facing the gas diffusion layer And at least one of the separator and the gas diffusion layer in a corresponding region corresponding to the overlapping portion in a stacking direction compared to other regions excluding the corresponding region. The gist is that the thickness is reduced.
本発明の燃料電池は、セパレータとガス拡散層とのうちの少なくとも一方が、重なり部に対応する領域において他の領域に比べて積層方向の厚みが小さいので、燃料電池を構成する際に、セパレータとガス拡散層とを比較的広い領域で当接させることができ、締結荷重が非常に大きくなってしまうことを抑制することができる。また、セパレータとガス拡散層とを比較的広い範囲で当接させることができるので、ガス拡散層における対応領域に非常に大きな力が集中することを抑制することができ、この対応領域において、ガス拡散層や電解質膜などが損傷することを抑制することができる。 In the fuel cell according to the present invention, at least one of the separator and the gas diffusion layer has a smaller thickness in the stacking direction in the region corresponding to the overlapping portion than in the other regions. And the gas diffusion layer can be brought into contact with each other in a relatively wide area, and the fastening load can be prevented from becoming very large. Further, since the separator and the gas diffusion layer can be brought into contact with each other in a relatively wide range, it is possible to suppress the concentration of a very large force on the corresponding region in the gas diffusion layer. Damage to the diffusion layer, the electrolyte membrane, and the like can be suppressed.
上記燃料電池において、前記電解質膜と、前記触媒層と、前記保護フィルムと、前記ガス拡散層とは、膜電極接合体として構成されているようにしてもよい。 In the fuel cell, the electrolyte membrane, the catalyst layer, the protective film, and the gas diffusion layer may be configured as a membrane electrode assembly.
このような構成とすることで、燃料電池を構成する際に、膜電極接合体とセパレータとを比較的広い範囲で当接させることができる。また、重なり部において膜電極接合体が損傷することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜上に積層された触媒層と、前記触媒層から見て前記電解質膜とは反対側に配置されたガス拡散層と、前記電解質膜のうち前記触媒層が積層されていない領域を覆うと共に、前記触媒層と重なる重なり部を有する前記電解質膜用の保護フィルムと、前記ガス拡散層と対向して配置されるセパレータと、を備え、前記セパレータと前記ガス拡散層とのうちの少なくとも一方が、前記重なり部に対応する対応領域において、前記対応領域を除く他の領域に比べて積層方向の厚みが小さくなるように構成されており、前記電解質膜と、前記触媒層と、前記保護フィルムと、前記ガス拡散層とは、膜電極接合体として構成されており、前記保護フィルムは、前記触媒層と前記電解質膜とが積層されている領域において、前記電解質膜に接しておらず、前記セパレータは、前記対応領域において、前記対応領域を除く他の領域に比べて積層方向の厚みが小さくなるように構成されており、前記対応領域は、凹状の曲面により構成されていてもよい。
With such a configuration, when the fuel cell is configured, the membrane electrode assembly and the separator can be brought into contact with each other over a relatively wide range. Moreover, it can suppress that a membrane electrode assembly is damaged in an overlap part.
The fuel cell of the present invention includes an electrolyte membrane, a catalyst layer laminated on the electrolyte membrane, a gas diffusion layer disposed on the opposite side of the electrolyte membrane as viewed from the catalyst layer, and the electrolyte membrane Covering the region where the catalyst layer is not laminated, and having a protective film for the electrolyte membrane having an overlapping portion overlapping the catalyst layer, and a separator disposed to face the gas diffusion layer, At least one of the separator and the gas diffusion layer is configured so that the thickness in the stacking direction is smaller in the corresponding region corresponding to the overlapping portion than in other regions excluding the corresponding region, The electrolyte membrane, the catalyst layer, the protective film, and the gas diffusion layer are configured as a membrane electrode assembly, and the protective film is formed by laminating the catalyst layer and the electrolyte membrane. In regions where there, Orazu in contact with the electrolyte membrane, the separator is in the corresponding region is configured so that the thickness in the stacking direction is smaller than the other areas except for the corresponding region, the corresponding region May be constituted by a concave curved surface.
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1の実施例:
B.第2の実施例:
C.変形例:
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Variations:
A.第1の実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池の分解斜視図である。この燃料電池20は、シール一体型MEA21と、セパレータ25とが交互に積層された構成を有している。なお、燃料電池20では、シール一体型MEA21とセパレータ25とが積層方向(上下方向)に複数積層しているが、図1では、図示の便宜上、MEA21とセパレータ25とを、それぞれ1つずつ記載している。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The
セパレータ25は、アノード対向プレート22と、中間プレート23と、カソード対向プレート24とを備えている。アノード対向プレート22は、シール一体型MEA21のアノード面に対向して配置されている。また、カソード対向プレート24は、図面下方において隣接するシール一体型MEA(図示省略)のカソード面に対向して配置されている。中間プレート23は、これらアノード対向プレート22及びカソード対向プレート24に挟持されている。
The
アノード対向プレート22は、燃料ガス供給マニホールド形成部221aを備えている。また、アノード対向プレート22は、燃料ガス排出マニホールド形成部221bと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部222aと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部222bと、冷却媒体供給マニホールド形成部223aと、冷却媒体排出マニホールド形成部223bとを備えている。これらの各マニホールド形成部221a,221b,222a,222b,223a,223bは、アノード対向プレート22を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。さらに、アノード対向プレート22は、シール一体型MEA21におけるMEA50と対向する領域に、複数個の燃料ガス供給孔225と、複数個の燃料ガス排出孔226とを備えている。これら燃料ガス供給孔225と燃料ガス排出孔226とは、アノード対向プレート22を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
The
カソード対向プレート24は、アノード対向プレート22と同じ位置に燃料ガス供給マニホールド形成部241aを備えている。また、カソード対向プレート24は、燃料ガス排出マニホールド形成部241bと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部242aと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部242bと、冷却媒体供給形成部マニホールド243aと、冷却媒体排出マニホールド形成部243bとを備えている。これらの各マニホールド形成部241a,241b,242a,242b,243a,243bは、カソード対向プレート24を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。さらに、カソード対向プレート24は、複数個の酸化剤ガス供給孔245と、複数個の酸化剤ガス排出孔246と、を備えている。これら酸化剤ガス供給孔245及び複数個の酸化剤ガス排出孔246はカソード対向プレート24を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
The
中間プレート23は、アノード対向プレート22及びカソード対向プレート24と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部231aを備えている。同様に、中間プレート23は、燃料ガス排出マニホールド形成部231bと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部232aと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部232bとを備えている。これらの各マニホールド形成部231a,231b,232a,232bは、中間プレート23を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、中間プレート23は、燃料ガス供給流路形成部235と、燃料ガス排出流路形成部236と、酸化剤ガス供給流路形成部237と、酸化剤ガス排出流路形成部238とを備えている。燃料ガス供給流路形成部235は、複数の長孔で構成されており、各長孔の一端は燃料ガス供給マニホールド形成部231aと連通し、他端はアノード対向プレート22に形成された燃料ガス供給孔225と連通している。なお、他の流路形成部236〜238も同様に構成されている。さらに、中間プレート23は、中間プレートを縦断する長孔の冷却媒体流路形成部239を複数個備えている。上述した中間プレート23における各流路形成部235〜239は、中間プレート23を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
The
以上説明した各プレート22,23,24は、いずれもチタン合金やステンレス(SUS)等の金属製の薄板に上述した各貫通部を形成することにより製作することができる。
Each of the
シール一体型MEA21は、MEA50と、MEA50を囲むガスケット51とを備えている。ガスケット51は、上述したアノード対向プレート22及びカソード対向プレート24と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部211aを備えている。同様に、ガスケット51は、燃料ガス排出マニホールド形成部211bと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部212aと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部212bと、冷却媒体供給マニホールド形成部213aと、冷却媒体排出マニホールド形成部213bとを備えている。これらの各マニホールド形成部211a,211b,212a,212b,213a,213bは、ガスケット51を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。なお、ガスケット51としては、例えば、シリコンゴムやブチルゴム等の樹脂材料で形成することができる。
The seal-integrated
MEA50のカソード面(表側)には、縁に近い位置に縁に沿って凸部71cが形成されている。この凸部71cは、MEA50のカソード面における他の部分よりも上方に若干突出している。同様に、MEA50のアノード面(裏側)にも凸部71aが形成されている。この凸部71aは、凸部71cと同様にMEA50のアノード面における他の部分よりも下方に若干突出している。なお、これら2つの凸部71c,71aは、積層方向に沿った方向から見て同じ位置となるように形成されている。
On the cathode surface (front side) of the
アノード対向プレート22のシール一体型MEA21と対向する面(表側)には、シール一体型MEA21の凸部71aに対応する位置に、凹部74aが形成されている。この凹部74aは、アノード対向プレート22におけるシール一体型MEA21と対向する面の他の部分に比べて厚みが若干小さくなっている。なお、アノード対向プレート22の中間プレート23と対向する面(裏側)には、凹部は形成されていない。
On the surface (front side) of the
同様に、カソード対向プレート24の裏側、すなわち、カソード対向プレート24の下方に隣接するシール一体型MEA(図示省略)と対向する面には、凹部74cが形成されている。この凹部74cは、凹部74aと同様に、他の部分に比べて厚みが若干小さくなっている。そして、この凹部74cは、図示せざるシール一体型MEAが有するカソード面に形成された凸部71c(図示省略)に対応する位置に形成されている。なお、本実施例において、上述した凹部74a,74cは、請求項における対応領域に相当する。
Similarly, a
図2は、図1に示すA−A断面を示す説明図である。シール一体型MEA21において、MEA50は、ガス拡散層も含んで一体化されたいわゆるMEGA(Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly:膜−電極−拡散層アッセンブリ)として構成されている。具体的には、MEA50は、電解質膜21bと、アノード側ガス拡散層21aと、カソード側ガス拡散層21cと、を備えている。アノード側ガス拡散層21aは、下側のセパレータ25と対向して配置され、また、カソード側ガス拡散層21cは、上側のセパレータ25と対向して配置されている。なお、電解質膜21bとしては、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜であるNafion(登録商標)やFlemion(登録商標)やAciplex(登録商標)等を用いることができる。また、2つの拡散層21a,21cとしては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを用いることができる。
FIG. 2 is an explanatory view showing a cross section AA shown in FIG. In the seal-integrated
シール一体型MEA21が備える燃料ガス供給マニホールド形成部211aと、セパレータ25が備える燃料ガス供給マニホールド形成部221a,231a,241aと、によって、燃料ガス供給マニホールド31aが形成されている。同様に、シール一体型MEA21が備える酸化剤ガス供給マニホールド形成部212aと、セパレータ25が備える酸化剤ガス供給マニホールド形成部222a,232a,242aと、によって酸化剤ガス供給マニホールド31bが形成されている。
A fuel
また、中間プレート23における貫通部である燃料ガス供給流路形成部235と、アノード対向プレート22と、カソード対向プレート24とで囲まれた空間(以下、「燃料ガス供給流路」と呼ぶ)255が形成されている。この燃料ガス供給路255の一端は、燃料ガス供給孔225と連通し、他端は燃料ガス供給マニホールド31aと連通している。
Further, a space (hereinafter referred to as “fuel gas supply flow path”) 255 surrounded by the fuel gas supply flow
同様に、酸化剤ガス供給流路形成部237と、アノード対向プレート22と、カソード対向プレート24とで囲まれた空間(以下、「酸化剤ガス供給流路」と呼ぶ)257が形成されている。この酸化剤ガス供給流路257の一端は、酸化剤ガス供給孔245と連通し、他端は酸化剤ガス供給マニホールド31bと連通している。
Similarly, a space (hereinafter referred to as “oxidant gas supply flow path”) 257 surrounded by the oxidant gas supply flow
燃料ガス供給マニホールド31aを通って供給される燃料ガス(例えば水素ガスなど)の一部は、下側のセパレータ25の中間プレート23において燃料ガス供給路255に流入し、燃料ガス供給孔225を通ってシール一体型MEA21のアノード側ガス拡散層21aに供給される。そして、アノード側ガス拡散層21aにおいて燃料ガスは拡散され、アノード電極(図示省略)において電気化学反応に用いられる。
Part of the fuel gas (for example, hydrogen gas) supplied through the fuel
一方、酸化剤ガス供給マニホールド31bを通って供給される酸化剤ガス(例えば空気など)の一部は、上側のセパレータ25の中間プレート23において燃料ガス供給流路257に流入し、酸化剤ガス供給孔245を通ってシール一体型MEA21のカソード側ガス拡散層21cに供給される。そして、カソード側ガス拡散層21cにおいて酸化剤ガスは拡散され、カソード電極(図示省略)において電気化学反応に用いられる。
On the other hand, a part of the oxidant gas (for example, air) supplied through the oxidant
以上は、燃料ガス及び酸化剤ガスがシール一体型MEA21に供給される際の動作であったが、燃料ガス及び酸化剤ガスがシール一体型MEA21から排出される際の動作も同様である。例えば、燃料ガスの排出動作は以下のごとくである。シール一体型MEA21において電気化学反応に用いられずに残った燃料ガスは、シール一体型MEA21に設けられた燃料ガス排出孔226(図1)と、この燃料ガス排出孔226に連通する燃料ガス排出流路形成部236とを通って燃料ガス排出マニホールドに排出される。ここで、燃料ガス排出マニホールドは、シール一体型MEA21が備える燃料ガス排出マニホールド形成部211bと、セパレータ25が備える燃料ガス排出マニホールド形成部221b,231b,241bと、によって形成されている。
The above is the operation when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the seal-integrated
図3は、図2に示す領域Xの詳細構成を示す説明図である。シール一体型MEA21は、MEA50と、MEA50の縁部分に配置されたガスケット21yと、を備えている。MEA50は、上述した電解質膜21bとアノード側ガス拡散層21aとカソード側ガス拡散層21cとの他に、アノード側触媒層60aと、カソード側触媒層60cと、アノード側保護フィルムfaと、カソード側保護フィルムfcと、を備えている。アノード側触媒層60aは、電解質膜21bのアノード面(下側面)上に形成されている。同様に、カソード側触媒層60cは、電解質膜21bのカソード面(上側面)上に形成されている。これら触媒層60a,60bとしては、たとえば、白金担持カーボン等を用いることができる。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the region X shown in FIG. The seal-integrated
アノード側保護フィルムfaは、電解質膜21bのアノード側触媒層60aが形成されていない領域(以下、「触媒層未形成領域」と呼ぶ)90のアノード面において、電解質膜21bを覆うように配置されている。同様に、カソード側保護フィルムfcは、触媒層未形成領域90のカソード面において電解質膜21bを覆うように配置されている。これら2つの保護フィルムfa,fbは、触媒層60a,60cが形成されておらず、電解質膜21bがむき出しとなった触媒層未形成領域90における強度を増すためのものである。2つの保護フィルムfa,fbとしては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムや、PEN(ポリエチレンナフタレート)フィルムや、PI(ポリイミド)フィルムなどを用いることができる。
The anode-side protective film fa is disposed so as to cover the
ここで、アノード側保護フィルムfaは、触媒層未形成領域90のアノード面を覆うと共に、その一部はアノード側触媒層60aをも覆っている。これは、アノード側保護フィルムfaを配置する際の製造マージンや、燃料電池20の稼動時において電解質膜21bが水平方向に伸張した場合でも触媒層未形成領域90を保護することができるようにするためである。同様に、カソード側保護フィルムfcは、触媒層未形成領域90のカソード面側を覆うと共に、その一部はカソード側触媒層60cをも覆っている。したがって、MEA50において、電解質膜21bと、2つの触媒層60a,60bと、2つの保護フィルムfa,fcとが重なった部分(以下、「重なり部」と呼ぶ)80が形成されている。この重なり部80は、他の部分に比べて積層方向の厚みが大きい。したがって、ガス拡散層21a,21cにおいて重なり部80に対応する部分では、他の部分に比べて盛り上がって形成される。具体的には、アノード側については、重なり部80に対応する部分において凸部71a(図1も併せて参照)が形成されている。また、カソード側については、重なり部80に対応する部分において凸部71c(図1も併せて参照)が形成されている。なお、これら2つの凸部71a,71cが他の部分に比べて積層方向に突出した長さは、例えば、数10μm程度となる。
Here, the anode side protective film fa covers the anode surface of the catalyst
ここで、下側のセパレータ25のアノード対向プレート22において、前述の凸部71aに対応する位置には凹部74aが形成されている。この凹部74aは、他の部分に比べて厚みが若干小さくなるように形成されている。凹部74aは、例えば、金属製の薄板において、該当する部分を削ることによって形成することができる。図3の例では、シール一体型MEA21と下側のセパレータ25とが積層された状態において、凸部71aと凹部74aとは表面の形状が一致して互いに隙間なく当接している。それと共に、アノード側ガス拡散層21aにおいて凸部71aを除くその他の部分と、アノード対向プレート22において凹部74aを除くその他の部分とも互いに当接している。同様に、上側のセパレータ25のカソード対向プレート24において、前述の凸部71cに対応する位置には凹部74cが形成されている。そして、凸部71cと凹部74cとは互いに隙間なく当接し、また、カソード側ガス拡散層21cにおいて凸部71cを除くその他の部分と、カソード対向プレート24において凹部74cを除くその他の部分とは、互いに当接している。
Here, in the
以上説明したように、燃料電池20では、重なり部80に起因してアノード側ガス拡散層21aにおいて凸部71aが生じているが、アノード対向プレート22に凹部74aを設けているので、アノード対向プレート22とアノード側ガス拡散層21aとは、互いに面全体で当接することとなる。またカソード側においてもアノード側とほぼ同じ構成となっており、カソード対向プレート24とカソード側ガス拡散層21cとは、互いに面全体で当接することとなる。したがって、シール一体型MEA21とセパレータ25とを積層して締結する際に面全体に荷重を掛けることができるので、締結するための荷重が非常に大きくなってしまうことを抑制することができる。また、シール一体型MEA21において、凸部71a,71cに締結荷重が集中することを避けることができるので、重なり部80においてMEA50が損傷することを抑制することができる。
As described above, in the
B.第2の実施例:
図4は、第2の実施例における燃料電池の断面の詳細を示す説明図である。なお、図4では、図3と同じ位置の領域(領域X)を示している。第2の実施例における燃料電池は、以下の2点において燃料電池20(図1〜図3)と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。すなわち、ガス拡散層において重なり部80に対応する部分が他の部分に比べて突出していない点と、セパレータ25aにおいて重なり部80に対応する部分に凹部が形成されていない点とが、本実施例の燃料電池と燃料電池20(第1の実施例)との相違点である。
B. Second embodiment:
FIG. 4 is an explanatory view showing details of a cross section of the fuel cell in the second embodiment. In FIG. 4, a region (region X) at the same position as that in FIG. 3 is shown. The fuel cell in the second embodiment is different from the fuel cell 20 (FIGS. 1 to 3) in the following two points, and other configurations are the same as those in the first embodiment. That is, the point that the portion corresponding to the overlapping
第2の実施例のMEA50aが有するアノード側ガス拡散層21dにおいて、重なり部80に対応する部分(以下、「重なり対応部」と呼ぶ)71dは、他の部分に比べて厚みが若干小さくなるように構成されている。具体的には、重なり対応部71dの厚みはh2であり、その他の部分の厚みh1は、厚みh2よりも大きい。このように厚みの差を設けることで、重なり対応部71dの上面の高さ(電解質膜21bの位置を基準とした積層方向の長さ)と、その他の部分の上面の高さとはほぼ同じとなっている。
In the anode side gas diffusion layer 21d of the
このような構成のアノード側ガス拡散層21dは、例えば、以下のようにして形成することができる。すなわち、MEA50aの製造工程において、アノード側ガス拡散層21dの材料となる多孔質体を触媒層60aの上に配置した後に、その多孔質体の表面に撥水材を塗布する。このとき、重なり部80に対応する部分には他の部分に比べて塗布する撥水材の量を少なくする。そうすると、上述したように、重なり対応部71dは他の部分に比べて厚みが小さく構成される。また、例えば、多孔質体を圧着する際に、重なり部分に対応する部分により大きな荷重を加えたり、より長時間圧着したりすることによって、重なり対応部71dを他の部分に比べて厚みが小さくなるように構成することもできる。
The anode-side gas diffusion layer 21d having such a configuration can be formed as follows, for example. That is, in the manufacturing process of the
カソード側についても同様な構成となっており、カソード側ガス拡散層21eにおいて、重なり部80に対応する重なり対応部71eは、他の部分に比べて厚みが小さくなるように構成されている。そして、重なり対応部71eの上面の高さと、その他の部分の上面の高さとはほぼ同じとなっている。なお、カソード側ガス拡散層21eの形成方法は、アノード側ガス拡散層21dと同様である。
The cathode side has the same configuration, and in the cathode side
セパレータ25aにおいて、アノード対向プレート22aには、第1の実施例のアノード対向プレート22(図3)と異なり、重なり対応部71dと対向する部分において凹部が設けられていない。同様に、カソード対向プレート24aには、重なり対応部71eと対向する部分において凹部が設けられていない。なお、本実施例において、上述した重なり対応部71d,71eは、請求項における対応領域に相当する。
In the
以上の構成を有する第2の実施例の燃料電池では、ガス拡散層21d,21eにおいて、重なり部80に対応する部分が他の部分に比べて突出しないように構成されている。したがって、アノード対向プレート22aとアノード側ガス拡散層21dとは、互いにほぼ面全体で当接することとなり、また、カソード対向プレート24aとカソード側ガス拡散層21eとも、互いにほぼ面全体で当接することとなる。したがって、第2の実施例の燃料電池も第1の実施例の燃料電池20と同様な効果を奏する。
In the fuel cell of the second embodiment having the above-described configuration, the gas diffusion layers 21d and 21e are configured so that the portion corresponding to the overlapping
C.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variations:
In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in each of the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上述した第1の実施例では、セパレータ25において重なり部80に対応する部分の厚みが他の部分の厚みに比べて小さくなるように構成されており、ガス拡散層21a,21cにおいて重なり部80に対応する部分(凸部71a,71c)の厚みは他の部分の厚みとほぼ同一であった。また、第2の実施例では、ガス拡散層21d,21eにおいて重なり部80に対応する部分(重なり対応部71d,71e)の厚みが他の部分の厚みに比べて小さくなるように構成されており、セパレータ25aにおいて重なり部80に対応する部分の厚みは他の部分の厚みと同一であった。本発明は、これらに限定されるものではなく、セパレータとガス拡散層とのいずれにおいても、重なり部80に対応する部分の厚みが他の部分の厚みに比べて小さくなるように構成することもできる。このような構成においても、重なり部80に対応する部分に大きな締結荷重が集中してしまうことを抑制することができる。
C1. Modification 1:
In the first embodiment described above, the thickness of the portion corresponding to the overlapping
C2.変形例2:
上述した各実施例では、シール一体型MEA21は、ガス拡散層も含んで一体に構成された、いわゆるMEGA(膜−電極−拡散層アッセンブリ)として構成されていたが、これに代えて、ガス拡散層を別の部材とした、いわゆる膜−電極アッセンブリとして構成することもできる。この場合、第2の実施例については、ガス拡散層用の部材(カーボンペーパーや金属多孔質体等)において、予め重なり部80に対応する部分の厚みを他の部分に比べて小さくなるように加工しておき、各部材(MEAとガス拡散層用部材とセパレータと)を積層して燃料電池を製造することもできる。
C2. Modification 2:
In each of the above-described embodiments, the seal-integrated
C3.変形例3:
上述した各実施例では、セパレータ25,25aは3枚のプレート23,24(24a),25(25a)を重ね合わせた3層構造を有するものであったが、これに代えて、1枚や2枚または4枚など、任意の数のプレートで構成することもできる。このような構成であっても、ガス拡散層21a,21cと対向するプレートにおいて、ガス拡散層21a,21c上に形成された凸部71a,71cと対向する部分に凹部を形成することで、第1の実施例の燃料電池20と同じ効果を得ることができる。
C3. Modification 3:
In each of the above-described embodiments, the
C4.変形例4:
上述した各実施例では、2つの保護フィルムfa,fcは、重なり部80において、それぞれ触媒層60a,60cの上に重なるように構成されていたが、これに代えて、保護フィルムfa,fcの上に触媒層60a,60cが重なる構成とすることもできる。すなわち、シール一体型MEAとして、電解質膜21bの端部分に保護フィルムfa,fcを配置した後に触媒層60a,60cを形成して製造したMEAを、本発明の燃料電池に用いることもできる。
C4. Modification 4:
In each of the above-described embodiments, the two protective films fa and fc are configured to overlap the catalyst layers 60a and 60c, respectively, in the overlapping
C5.変形例5:
上述した各実施例では、燃料電池20は、シール一体型MEA21とセパレータ25とが複数積層して構成されていたが、これに代えて、1つのシール一体型MEA21と、このシール一体型MEA21を挟んで配置された2つのセパレータ25とで構成することもできる。
C5. Modification 5:
In each of the above-described embodiments, the
20…燃料電池
21…シール一体型MEA
21a,21d…アノード側ガス拡散層
21b…電解質膜
21c,21e…カソード側ガス拡散層
21y…ガスケット
22,22a…アノード対向プレート
23…中間プレート
24,24a…カソード対向プレート
25,25a…セパレータ
31a…燃料ガス供給マニホールド
31b…酸化剤ガス供給マニホールド
50…MEA
51…ガスケット
60a…アノード側触媒層
60c…カソード側触媒層
71a,71c…凸部
71d,71e…重なり対応部
74a,71c…凹部
80…重なり部分
90…触媒層未形成領域
211a,221a,231a,241a…燃料ガス供給マニホールド形成部
211b,221b,231b,241b…燃料ガス排出マニホールド形成部
212a,222a,232a,242a…酸化剤ガス供給マニホールド形成部
212b,222b,232b,242b…酸化剤ガス排出マニホールド形成部
213a,223a,243a…冷却媒体供給マニホールド形成部
213b,223b,243b…冷却媒体排出マニホールド形成部
225…燃料ガス供給孔
226…燃料ガス排出孔
239…冷却媒体流路形成部
235…燃料ガス供給流路形成部
236…燃料ガス排出流路形成部
237…酸化剤ガス供給流路形成部
238…酸化剤ガス排出流路形成部
245…酸化剤ガス供給孔
246…酸化剤ガス排出孔
255…燃料ガス供給流路
257…酸化剤ガス供給流路
MEA21…シール一体型
X…領域
fa…アノード側保護フィルム
fc…カソード側保護フィルム
20 ...
21a, 21d ... anode side
51 ...
Claims (1)
電解質膜と、
前記電解質膜上に積層された触媒層と、
前記触媒層から見て前記電解質膜とは反対側に配置されたガス拡散層と、
前記電解質膜のうち前記触媒層が積層されていない領域を覆うと共に、前記触媒層と重なる重なり部を有する前記電解質膜用の保護フィルムと、
前記ガス拡散層と対向して配置されるセパレータと、
を備え、
前記セパレータと前記ガス拡散層とのうちの少なくとも一方が、前記重なり部に対応する対応領域において、前記対応領域を除く他の領域に比べて積層方向の厚みが小さくなるように構成されており、
前記電解質膜と、前記触媒層と、前記保護フィルムと、前記ガス拡散層とは、膜電極接合体として構成されており、
前記保護フィルムは、前記触媒層と前記電解質膜とが積層されている領域において、前記電解質膜に接しておらず、
前記セパレータは、前記対応領域において、前記対応領域を除く他の領域に比べて積層方向の厚みが小さくなるように構成されており、
前記対応領域は、凹状の曲面により構成されている、燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte membrane;
A catalyst layer laminated on the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer disposed on the opposite side of the electrolyte membrane from the catalyst layer;
A protective film for the electrolyte membrane that covers a region of the electrolyte membrane where the catalyst layer is not laminated and has an overlapping portion that overlaps the catalyst layer;
A separator disposed opposite to the gas diffusion layer;
With
At least one of the separator and the gas diffusion layer is configured so that the thickness in the stacking direction is smaller in the corresponding region corresponding to the overlapping portion than in other regions excluding the corresponding region,
The electrolyte membrane, the catalyst layer, the protective film, and the gas diffusion layer are configured as a membrane electrode assembly,
The protective film is not in contact with the electrolyte membrane in a region where the catalyst layer and the electrolyte membrane are laminated ,
The separator is configured such that the thickness in the stacking direction is smaller in the corresponding region than in other regions excluding the corresponding region,
The corresponding region is a fuel cell configured by a concave curved surface .
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