JP5608628B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes each having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator are laminated.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(ガス拡散層)からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode each made of an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. ) Is constituted by a separator (bipolar plate). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

一般的に、電解質膜・電極構造体では、アノード電極及びカソード電極が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積を有しており、前記固体高分子電解質膜の外周縁部が前記アノード電極及び前記カソード電極の外周から外部に露呈している。このため、電解質膜・電極構造体の製造時に、固体高分子電解質膜にガス拡散層を熱圧着する際、前記ガス拡散層を構成する繊維が前記固体高分子電解質膜に突き刺さるという問題がある。   In general, in an electrolyte membrane / electrode structure, the anode electrode and the cathode electrode have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane, and the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane is the anode electrode and the cathode. It is exposed to the outside from the outer periphery of the electrode. For this reason, when the gas diffusion layer is thermocompression bonded to the solid polymer electrolyte membrane during the production of the electrolyte membrane / electrode structure, there is a problem that the fibers constituting the gas diffusion layer pierce the solid polymer electrolyte membrane.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池セルが知られている。この燃料電池セルでは、図6に示すように、電解質膜1と、カソード側の触媒層2a及びアノード側の触媒層3aとから形成される膜電極接合体4が、カソード側のガス拡散層2b及びアノード側のガス拡散層3bにより挟持されている。触媒層2a、3aは、電解質膜1に比してそれらの面積が狭小であるため、前記電解質膜1の外周縁部には、前記触媒層2a、3aが存在しない露出領域1aが形成されている。   Therefore, for example, a fuel battery cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 6, a membrane electrode assembly 4 formed of an electrolyte membrane 1, a cathode-side catalyst layer 2a, and an anode-side catalyst layer 3a includes a cathode-side gas diffusion layer 2b. And the gas diffusion layer 3b on the anode side. Since the catalyst layers 2a and 3a have a smaller area than the electrolyte membrane 1, an exposed region 1a where the catalyst layers 2a and 3a are not present is formed on the outer peripheral edge of the electrolyte membrane 1. Yes.

さらに、膜電極接合体4の両側に配されるガス拡散層2b、3bの端部には、触媒層2a、3aの周縁となる箇所に窪み5a、5bが形成されている。窪み5a、5bと露出領域1aとで画成される凹溝には、触媒層2a、3aから前記露出領域1aに亘って樹脂材6a、6bが収容されている。このため、ガス拡散層2b、3bから突出する毛羽が、電解質膜1に突き刺さるのを防護する、としている。   Further, in the end portions of the gas diffusion layers 2b and 3b arranged on both sides of the membrane electrode assembly 4, depressions 5a and 5b are formed at locations that are the peripheral edges of the catalyst layers 2a and 3a. Resin materials 6a and 6b are accommodated in the groove defined by the recesses 5a and 5b and the exposed region 1a from the catalyst layers 2a and 3a to the exposed region 1a. For this reason, it is supposed that the fluff protruding from the gas diffusion layers 2b and 3b is prevented from sticking into the electrolyte membrane 1.

特開2011−146300号公報JP 2011-146300 A

ところで、上記の燃料電池では、固体高分子電解質膜(電解質膜1)がアノード電極及びカソード電極の外周から外方に突出している。このため、燃料ガスがアノード側からカソード側に前記固体高分子電解質膜を透過する一方、酸化剤ガスが前記カソード側から前記アノード側に前記固体高分子電解質膜を透過する場合がある。   By the way, in the above fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane 1) protrudes outward from the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode. For this reason, the fuel gas may pass through the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side, while the oxidant gas may pass through the solid polymer electrolyte membrane from the cathode side to the anode side.

このため、アノード側及びカソード側では、水素と酸素とが反応して過酸化水素(H)が発生し易い(H+O→H)。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金(Pt)上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル(・OH)が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極触媒を劣化させるという問題がある。 For this reason, hydrogen and oxygen react with each other on the anode side and the cathode side to easily generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (H 2 + O 2 → H 2 O 2 ). This hydrogen peroxide is decomposed on the carbon support or platinum (Pt) in the electrode, and for example, a hydroxy radical (.OH) is generated. Thereby, there exists a problem of deteriorating a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、アノード電極及びカソード電極間で反応ガスが混在することを阻止し、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、良好な状態で運転することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, prevents reaction gas from being mixed between the anode electrode and the cathode electrode, can effectively suppress deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, etc. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be operated in a stable state.

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes each having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator are laminated.

この燃料電池では、少なくとも一方の電極は、固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、一方の前記電極を構成する電極触媒層とガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置されている。そして、多孔質シート層は、ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部を有し、前記外周縁部には、ガス不透過処理が施されたガス不透過部が設けられている。ガス拡散層の外周には、額縁状のガス不透過シートが配設されている。 In this fuel cell, at least one of the electrodes is set to have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane, and between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer constituting one of the electrodes, A porous sheet layer is disposed over the entire surface. The porous sheet layer has an outer peripheral edge extending outward from the outer periphery of the gas diffusion layer, and the outer peripheral edge is provided with a gas impervious portion subjected to a gas impervious treatment. Yes. A frame-shaped gas impermeable sheet is disposed on the outer periphery of the gas diffusion layer.

また、この燃料電池では、ガス不透過部は、外周縁部にプレス処理又は樹脂含浸処理を施すことにより形成されることが好ましい。   In this fuel cell, the gas impermeable portion is preferably formed by subjecting the outer peripheral edge portion to press treatment or resin impregnation treatment.

さらに、この燃料電池では、ガス不透過部は、固体高分子電解質膜に直接対向することが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell, it is preferable that the gas impermeable portion directly faces the solid polymer electrolyte membrane.

また、この燃料電池では、ガス不透過部は、電極触媒層の外周と積層方向に重なり部を有することが好ましい。   In this fuel cell, it is preferable that the gas impermeable portion has an overlapping portion in the stacking direction with the outer periphery of the electrode catalyst layer.

本発明によれば、電極触媒層とガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置されるとともに、前記多孔質シート層は、前記ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部が設けられている。このため、ガス拡散層を構成する繊維が固体高分子電解質膜に突き刺さることがなく、前記固体高分子電解質膜を良好に保護することができる。   According to the present invention, the porous sheet layer is disposed over the entire power generation surface between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer, and the porous sheet layer is disposed outside the outer periphery of the gas diffusion layer. A gas impervious portion is provided at the outer peripheral edge extending in the direction. For this reason, the fiber which comprises a gas diffusion layer does not pierce a solid polymer electrolyte membrane, and can protect the said solid polymer electrolyte membrane favorably.

しかも、多孔質シート層の外周縁部から固体高分子電解質膜に反応ガスが透過することがなく、前記反応ガスが前記固体高分子電解質膜を透過して両極間で混在することを確実に抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池を良好な状態で運転することが可能になる。   Moreover, there is no permeation of the reaction gas from the outer peripheral edge of the porous sheet layer to the solid polymer electrolyte membrane, and the reaction gas is surely suppressed from passing through the solid polymer electrolyte membrane and being mixed between the two electrodes. It becomes possible to do. Thereby, deterioration of a solid polymer electrolyte membrane etc. can be suppressed effectively and it becomes possible to drive | operate a fuel cell in a favorable state.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of the said fuel cell in FIG. 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the said fuel cell. 前記電解質膜・電極構造体の製造方法を説明する分解断面図である。It is a disassembled sectional view explaining the manufacturing method of the said electrolyte membrane and electrode structure. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 特許文献1に開示されている燃料電池セルの説明図である。It is explanatory drawing of the fuel battery cell currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12とアノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16とが、立位姿勢で矢印A方向(例えば、水平方向)に積層される。複数の燃料電池10が矢印A方向に積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。なお、アノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention, the electrolyte membrane / electrode structure 12, the anode-side separator 14 and the cathode-side separator 16 are in the standing posture in the direction of arrow A ( For example, they are stacked in the horizontal direction). By stacking the plurality of fuel cells 10 in the direction of arrow A, for example, an in-vehicle fuel cell stack is configured. In addition, as the anode side separator 14 and the cathode side separator 16, for example, a carbon separator is used, but a metal separator may be used instead.

燃料電池10は、横長形状を有し、矢印B方向(水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔18a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔20bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   The fuel cell 10 has a horizontally long shape, and an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas is supplied to one end edge in the arrow B direction (horizontal direction) in communication with each other in the arrow A direction that is the stacking direction. For this purpose, an oxidant gas inlet communication hole 18a and a fuel gas outlet communication hole 20b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔20a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔18bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 20a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. The outlet communication holes 18b are arranged in the arrow C direction.

燃料電池10の矢印C方向の一端縁部(上端縁部)には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22aが設けられるとともに、前記燃料電池10の矢印C方向の他端縁部(下端縁部)には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22bが設けられる。   A cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium is provided at one end edge (upper edge) in the arrow C direction of the fuel cell 10, and the other end edge of the fuel cell 10 in the arrow C direction. A cooling medium outlet communication hole 22b for discharging the cooling medium is provided at the (lower edge).

アノード側セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとに連通する燃料ガス流路24が、矢印B方向に延在して設けられる。燃料ガス流路24の入口側には、入口バッファ部24aが設けられる一方、前記燃料ガス流路24の出口側には、出口バッファ部24bが設けられる。   A fuel gas passage 24 communicating with the fuel gas inlet communication hole 20a and the fuel gas outlet communication hole 20b extends in the direction of arrow B on the surface 14a of the anode separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. Provided. An inlet buffer portion 24 a is provided on the inlet side of the fuel gas passage 24, while an outlet buffer portion 24 b is provided on the outlet side of the fuel gas passage 24.

燃料ガス入口連通孔20aと入口バッファ部24aとの間には、複数本の入口連結流路26aを蓋体27aで覆ったブリッジ部28aが形成される。燃料ガス出口連通孔20bと出口バッファ部24bとの間には、複数本の出口連結流路26bを蓋体27bで覆ったブリッジ部28bが形成される。   Between the fuel gas inlet communication hole 20a and the inlet buffer portion 24a, a bridge portion 28a in which a plurality of inlet connection channels 26a are covered with a lid body 27a is formed. Between the fuel gas outlet communication hole 20b and the outlet buffer portion 24b, a bridge portion 28b is formed in which a plurality of outlet connection channels 26b are covered with a lid body 27b.

カソード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとに連通する酸化剤ガス流路30が設けられる。酸化剤ガス流路30は、燃料ガス流路24と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。アノード側セパレータ14とカソード側セパレータ16とは、互いに対向する面14b、16b同士の間に冷却媒体流路32を一体的に形成する。   An oxidant gas flow path 30 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 18a and the oxidant gas outlet communication hole 18b is provided on the surface 16a of the cathode separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. The oxidant gas channel 30 is configured in the same manner as the fuel gas channel 24, and a detailed description thereof is omitted. The anode-side separator 14 and the cathode-side separator 16 integrally form a cooling medium flow path 32 between the faces 14b, 16b facing each other.

アノード側セパレータ14の面14a、14bには、このアノード側セパレータ14の外周縁部を周回して第1シール部材34が一体的又は個別に設けられる。カソード側セパレータ16の面16a、16bには、このカソード側セパレータ16の外周縁部を周回して第2シール部材36が一体的又は個別に設けられる。第1シール部材34は、燃料ガス流路24、入口バッファ部24a及び出口バッファ部24bを含む燃料ガス領域を囲繞する流路シール部34aを有する。第2シール部材36は、酸化剤ガス流路30、入口バッファ部(図示せず)及び出口バッファ部(図示せず)を含む酸化剤ガス領域を囲繞する流路シール部36aを有する。   A first seal member 34 is integrally or individually provided on the surfaces 14 a and 14 b of the anode separator 14 so as to go around the outer peripheral edge of the anode separator 14. On the surfaces 16a and 16b of the cathode side separator 16, a second seal member 36 is integrally or individually provided around the outer peripheral edge of the cathode side separator 16. The first seal member 34 includes a flow path seal portion 34a that surrounds a fuel gas region including the fuel gas flow channel 24, the inlet buffer portion 24a, and the outlet buffer portion 24b. The second seal member 36 has a flow path seal portion 36a surrounding an oxidant gas region including the oxidant gas flow channel 30, an inlet buffer portion (not shown), and an outlet buffer portion (not shown).

第1シール部材34及び第2シール部材36は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。   The first seal member 34 and the second seal member 36 are, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicon rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber, or a cushioning material. Or use packing material.

電解質膜・電極構造体12は、横長形状を有するとともに、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜38と、前記固体高分子電解質膜38を挟持するアノード電極40及びカソード電極42とを備える。固体高分子電解質膜38の外形寸法は、アノード電極40及びカソード電極42の外形寸法よりも大きく設定される。アノード電極40とカソード電極42とは、互いに異なる大きさに設定してもよい。   The electrolyte membrane / electrode structure 12 has a horizontally long shape, for example, a solid polymer electrolyte membrane 38 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and an anode electrode 40 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 38. And a cathode electrode 42. The outer dimensions of the solid polymer electrolyte membrane 38 are set larger than the outer dimensions of the anode electrode 40 and the cathode electrode 42. The anode electrode 40 and the cathode electrode 42 may be set to different sizes.

固体高分子電解質膜38は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用される。固体高分子電解質膜38は、例えば、主鎖がポリフェニレン構造であり、スルホン酸基を有する側鎖を有する構造でもよい。   As the solid polymer electrolyte membrane 38, an HC (hydrocarbon) electrolyte is used in addition to a fluorine electrolyte. The solid polymer electrolyte membrane 38 may have, for example, a structure in which the main chain has a polyphenylene structure and a side chain having a sulfonic acid group.

図2に示すように、アノード電極40及びカソード電極42は、後述するように、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜38の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層40a、42aと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層40b、42bとを有する。   As shown in FIG. 2, the anode electrode 40 and the cathode electrode 42 are formed by uniformly applying porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the solid polymer electrolyte membrane 38, as will be described later. Electrode catalyst layers 40a and 42a, and gas diffusion layers 40b and 42b made of carbon paper or the like.

ガス拡散層40b、42bは、多孔質シート層44a、44bを介して電極触媒層40a、42aに積層される。多孔質シート層44a、44bは、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含み、導電性を有している。電子伝導性物質としては、例えば、カーボン繊維やカーボンナノチューブ等のカーボン粉末(カーボンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック)が単独又は2種以上混合して使用されるとともに、撥水性樹脂としては、結晶性フッ素樹脂、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PVF(ポリフッ化ビニル)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、非晶質フッ素樹脂及びシリコーン樹脂等の少なくとも1種を含有している。   The gas diffusion layers 40b and 42b are laminated on the electrode catalyst layers 40a and 42a via the porous sheet layers 44a and 44b. The porous sheet layers 44a and 44b include an electron conductive substance and a water repellent resin, and have conductivity. As the electron conductive substance, for example, carbon powder (carbon black, furnace black, acetylene black) such as carbon fiber or carbon nanotube is used alone or in combination of two or more kinds. It contains at least one of fluororesin, PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), amorphous fluororesin, and silicone resin.

多孔質シート層44a、44bは、独立したシート形状の状態で、外周部にプレス処理又は樹脂材の含浸処理を施すことにより、額縁状のガス不透過部44aa、44bbが形成される。ガス不透過部44aa、44bbは、電極触媒層40a、42aの外周と重なり部を有し、固体高分子電解質膜38を介してガス透過を防止している。固体高分子電解質膜38は、多孔質シート層44a、44bの外方まで延在しており、両極間で反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)の混合を確実に阻止することができる。   The porous sheet layers 44a and 44b are formed into frame-like gas-impermeable portions 44aa and 44bb by subjecting the outer peripheral portion to press treatment or resin impregnation treatment in an independent sheet shape state. The gas impermeable portions 44aa and 44bb have overlapping portions with the outer peripheries of the electrode catalyst layers 40a and 42a, and prevent gas permeation through the solid polymer electrolyte membrane 38. The solid polymer electrolyte membrane 38 extends to the outside of the porous sheet layers 44a and 44b, and can reliably prevent mixing of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) between the two electrodes.

ガス拡散層40b、42bの外周には、額縁状のガス不透過シート46a、46bが配設される。ガス不透過シート46a、46bの表面位置は、ガス拡散層40b、42bの表面位置と同一位置に配置され、全体として段差のない同一平面を形成する。第1シール部材34の流路シール部34aは、ガス拡散層40bの外周端とガス不透過シート46aの内周端との境界部位を覆って配置される一方、第2シール部材36の流路シール部36aは、ガス拡散層42bの外周端とガス不透過シート46bの内周端との境界部位を覆って配置される。なお、ガス不透過シート46a、46bは、例えば、PEN(ポリエチレンナフタレート)製のフィルム等で構成される。   Frame-shaped gas-impermeable sheets 46a and 46b are disposed on the outer periphery of the gas diffusion layers 40b and 42b. The surface positions of the gas-impermeable sheets 46a and 46b are arranged at the same positions as the surface positions of the gas diffusion layers 40b and 42b, and form the same plane with no step as a whole. The flow path seal portion 34a of the first seal member 34 is disposed so as to cover the boundary portion between the outer peripheral end of the gas diffusion layer 40b and the inner peripheral end of the gas impermeable sheet 46a, while the flow path of the second seal member 36 is provided. The seal portion 36a is disposed so as to cover a boundary portion between the outer peripheral end of the gas diffusion layer 42b and the inner peripheral end of the gas impermeable sheet 46b. The gas impermeable sheets 46a and 46b are made of, for example, a film made of PEN (polyethylene naphthalate).

図2及び図3に示すように、電極触媒層40a、42aの各表面積S1は、ガス拡散層40b、42bの各表面積S2よりも小さく、又は、同等に設定される。多孔質シート層44a、44bは、固体高分子電解質膜38よりも小さな外形寸法に、且つ電極触媒層40a、42a及びガス拡散層40b、42bよりも大きな外形寸法に設定される。多孔質シート層44a、44bでは、ガス不透過部44aa、44bbの内方に設けられるガス透過領域の各表面積S3が、電極触媒層40a、42aの各表面積S1及びガス拡散層40b、42bの各表面積S2よりも小さく設定される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the surface areas S1 of the electrode catalyst layers 40a and 42a are set smaller than or equal to the surface areas S2 of the gas diffusion layers 40b and 42b. The porous sheet layers 44a and 44b are set to have a smaller outer dimension than the solid polymer electrolyte membrane 38 and larger than the electrode catalyst layers 40a and 42a and the gas diffusion layers 40b and 42b. In the porous sheet layers 44a and 44b, the surface areas S3 of the gas permeable regions provided inside the gas impermeable portions 44aa and 44bb are the surface areas S1 of the electrode catalyst layers 40a and 42a and the gas diffusion layers 40b and 42b. It is set smaller than the surface area S2.

多孔質シート層44aは、燃料ガス流路24、入口バッファ部24a及び出口バッファ部24bを含む燃料ガス領域よりも広い領域に設けられるとともに、多孔質シート層44bは、酸化剤ガス流路30、入口バッファ部(図示せず)及び出口バッファ部(図示せず)を含む酸化剤ガス領域よりも広い領域に設けられる。   The porous sheet layer 44a is provided in a region wider than the fuel gas region including the fuel gas passage 24, the inlet buffer portion 24a and the outlet buffer portion 24b, and the porous sheet layer 44b includes the oxidant gas passage 30, It is provided in a region wider than the oxidant gas region including the inlet buffer portion (not shown) and the outlet buffer portion (not shown).

次いで、電解質膜・電極構造体12を製造する方法について、以下に説明する。   Next, a method for producing the electrolyte membrane / electrode structure 12 will be described below.

先ず、図3及び図4に示すように、固体高分子電解質膜38が長方形状に作製された後、この固体高分子電解質膜38の面38a及び面38bには、電極触媒層40a及び電極触媒層42aが形成される。   First, as shown in FIGS. 3 and 4, after the solid polymer electrolyte membrane 38 is formed in a rectangular shape, the electrode catalyst layer 40 a and the electrode catalyst are formed on the surface 38 a and the surface 38 b of the solid polymer electrolyte membrane 38. Layer 42a is formed.

具体的には、電極触媒層40a及び電極触媒層42aは、例えば、それぞれ白金触媒とイオン伝導性ポリマー溶液とが混合された触媒ペーストを調整し、前記触媒ペーストをPTFEシート上に塗布することにより作製される。さらに、固体高分子電解質膜38の両方の面38a、38bに、電極触媒層40a及び電極触媒層42aの触媒層側が熱圧着された後、PTFEシートが剥離されることにより転写される。   Specifically, the electrode catalyst layer 40a and the electrode catalyst layer 42a are prepared by, for example, preparing a catalyst paste in which a platinum catalyst and an ion conductive polymer solution are mixed, and applying the catalyst paste on a PTFE sheet. Produced. Further, after the catalyst layer side of the electrode catalyst layer 40a and the electrode catalyst layer 42a is thermocompression bonded to both surfaces 38a, 38b of the solid polymer electrolyte membrane 38, the PTFE sheet is transferred by peeling.

一方、上記のように、特にガス拡散層40b、42bよりも外形寸法の大きな多孔質シート層44a、44bが用意される。多孔質シート層44a、44bの外周部には、プレス処理又は樹脂材の含浸処理を施すことにより、額縁状のガス不透過部44aa、44bbが形成される。なお、上記のプレス処理は、多孔質シート層44a、44bの外周部を、予め他の部位よりも肉厚に構成しておき、前記外周部が前記他の部位と同等の厚さになるまで加圧することにより行ってもよい。   On the other hand, as described above, the porous sheet layers 44a and 44b having a larger outer dimension than the gas diffusion layers 40b and 42b are prepared. Frame-shaped gas-impermeable portions 44aa and 44bb are formed on the outer peripheral portions of the porous sheet layers 44a and 44b by performing press treatment or impregnation treatment with a resin material. In the above pressing process, the outer peripheral portions of the porous sheet layers 44a and 44b are configured to be thicker than other portions in advance, and the outer peripheral portions are equal in thickness to the other portions. You may carry out by pressurizing.

そこで、額縁状のガス不透過シート46a、46bが被覆された多孔質シート層44a、44bと、ガス拡散層40b、42bとは、互いに位置決め配置される。この状態で、ガス拡散層40b、42bが加圧及び加熱(ホットプレス)されることにより、多孔質シート層44a、44bに熱圧着される。   Therefore, the porous sheet layers 44a and 44b covered with the frame-shaped gas impermeable sheets 46a and 46b and the gas diffusion layers 40b and 42b are positioned and arranged with respect to each other. In this state, the gas diffusion layers 40b and 42b are pressurized and heated (hot pressed) to be thermocompression bonded to the porous sheet layers 44a and 44b.

次に、上記のガス拡散層40b、42bが熱圧着された多孔質シート層44a、44bは、両面38a、38bに電極触媒層40a、42aが設けられた固体高分子電解質膜38に一体化されるとともに、多孔質シート層44a、44bには、額縁状のガス不透過シート46a、46bが被覆される。これにより、電解質膜・電極構造体12が製造される。   Next, the porous sheet layers 44a and 44b on which the gas diffusion layers 40b and 42b are thermocompression bonded are integrated with the solid polymer electrolyte membrane 38 in which the electrode catalyst layers 40a and 42a are provided on both surfaces 38a and 38b. In addition, the porous sheet layers 44a and 44b are covered with frame-shaped gas-impermeable sheets 46a and 46b. Thereby, the electrolyte membrane / electrode structure 12 is manufactured.

このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔20aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。   As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 18a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 20a. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔18aからカソード側セパレータ16の酸化剤ガス流路30に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路30に沿って矢印B方向に流通し、電解質膜・電極構造体12のカソード電極42に沿って移動する。   The oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 30 of the cathode-side separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 18a. The oxidant gas flows in the direction of arrow B along the oxidant gas flow path 30 and moves along the cathode electrode 42 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔20aからアノード側セパレータ14の燃料ガス流路24に導入される。この燃料ガス流路24では、燃料ガスが矢印B方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体12のアノード電極40に沿って移動する。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 24 of the anode side separator 14 from the fuel gas inlet communication hole 20a. In the fuel gas channel 24, the fuel gas flows in the direction of arrow B, and moves along the anode electrode 40 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード電極42に供給される酸化剤ガスと、アノード電極40に供給される燃料ガスとが、電極触媒層42a、40a内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 42 and the fuel gas supplied to the anode electrode 40 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layers 42a and 40a. Power generation is performed.

次いで、カソード電極42に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔18bに排出される。同様に、アノード電極40に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔20bに排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 42 is discharged to the oxidant gas outlet communication hole 18b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 40 is discharged to the fuel gas outlet communication hole 20b.

一方、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ14及びカソード側セパレータ16間に形成された冷却媒体流路32に導入される。この冷却媒体流路32では、冷却媒体が重力方向(矢印C方向)に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔22bに排出される。   On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22 a is introduced into the cooling medium flow path 32 formed between the anode side separator 14 and the cathode side separator 16. In the cooling medium flow path 32, the cooling medium moves in the direction of gravity (arrow C direction). Therefore, the cooling medium is cooled over the entire power generation surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and then discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b.

この場合、第1の実施形態では、図2及び図3に示すように、電極触媒層40a、42aとガス拡散層40b、42bとの間には、発電面全面に亘って多孔質シート層44a、44bが配置されるとともに、前記多孔質シート層44a、44bは、前記ガス拡散層40b、42bの外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部44aa、44bbが設けられている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the porous sheet layer 44 a is formed between the electrode catalyst layers 40 a and 42 a and the gas diffusion layers 40 b and 42 b over the entire power generation surface. 44b, and the porous sheet layers 44a and 44b are provided with gas-impermeable portions 44aa and 44bb at outer peripheral edges extending outward from the outer periphery of the gas diffusion layers 40b and 42b. .

このため、電解質膜・電極構造体12を製造する際、特にガス拡散層40b、42bを固体高分子電解質膜38に一体化させる際や、燃料電池10に締め付け荷重を付与している際に、前記ガス拡散層40b、42bを構成する繊維が前記固体高分子電解質膜38に突き刺さることがない。従って、固体高分子電解質膜38を良好に保護することができる。   For this reason, when manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 12, particularly when integrating the gas diffusion layers 40b and 42b into the solid polymer electrolyte membrane 38, or when applying a tightening load to the fuel cell 10, The fibers constituting the gas diffusion layers 40b and 42b do not pierce the solid polymer electrolyte membrane 38. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane 38 can be well protected.

しかも、固体高分子電解質膜38の一方の面では、電極触媒層40aの外周縁部に跨って多孔質シート層44aのガス不透過部44aaが配置されるとともに、前記ガス不透過部44aaの内周縁部に積層されるガス拡散層40bの外周端とガス不透過シート46aの内周端との境界部位を覆って、流路シール部34aが配置されている。同様に、固体高分子電解質膜38の他方の面では、電極触媒層42aの外周縁部に跨って多孔質シート層44bのガス不透過部44bbが配置されるとともに、前記ガス不透過部44bbの内周縁部に積層されるガス拡散層42bの外周端とガス不透過シート46bの内周端との境界部位を覆って、流路シール部36aが配置されている。   Moreover, on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 38, the gas impermeable portion 44aa of the porous sheet layer 44a is disposed across the outer peripheral edge portion of the electrode catalyst layer 40a, and the inside of the gas impermeable portion 44aa A flow path seal portion 34a is disposed so as to cover a boundary portion between the outer peripheral end of the gas diffusion layer 40b laminated on the peripheral portion and the inner peripheral end of the gas impermeable sheet 46a. Similarly, on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 38, a gas impermeable portion 44bb of the porous sheet layer 44b is disposed across the outer peripheral edge of the electrode catalyst layer 42a, and the gas impermeable portion 44bb A flow path seal portion 36a is disposed so as to cover a boundary portion between the outer peripheral end of the gas diffusion layer 42b laminated on the inner peripheral edge and the inner peripheral end of the gas impermeable sheet 46b.

これにより、多孔質シート層44a、44bの外周縁部から固体高分子電解質膜38に反応ガス(燃料ガスや酸化剤ガス)が透過することがない。このため、反応ガスが固体高分子電解質膜38を透過してアノード電極40及びカソード電極42間で混在することを確実に抑制することが可能になる。従って、固体高分子電解質膜38等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池10を良好な状態で運転することが可能になるという効果が得られる。   Thereby, the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) does not permeate from the outer peripheral edge of the porous sheet layers 44a and 44b to the solid polymer electrolyte membrane 38. For this reason, it becomes possible to reliably suppress the reaction gas from passing through the solid polymer electrolyte membrane 38 and mixing between the anode electrode 40 and the cathode electrode 42. Accordingly, it is possible to effectively suppress the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 38 and the like, and the effect that the fuel cell 10 can be operated in a good state is obtained.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池50の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view of a main part of a fuel cell 50 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池50は、アノード側セパレータ14とカソード側セパレータ16の間に、電解質膜・電極構造体52を挟持する。電解質膜・電極構造体52は、固体高分子電解質膜38をアノード電極54及びカソード電極56により挟持する。アノード電極54を構成する電極触媒層40aLは、カソード電極56を構成する電極触媒層42aSよりも大きな表面積に設定され、所謂、段差MEAを構成する。なお、上記とは反対に、カソード電極56がアノード電極54よりも外形寸法の大きな段差MEAを構成してもよい。   The fuel cell 50 sandwiches an electrolyte membrane / electrode structure 52 between the anode side separator 14 and the cathode side separator 16. The electrolyte membrane / electrode structure 52 holds the solid polymer electrolyte membrane 38 between the anode electrode 54 and the cathode electrode 56. The electrode catalyst layer 40aL constituting the anode electrode 54 is set to have a larger surface area than the electrode catalyst layer 42aS constituting the cathode electrode 56, and constitutes a so-called step MEA. In contrast to the above, the cathode electrode 56 may constitute a step MEA having a larger outer dimension than the anode electrode 54.

固体高分子電解質膜38の一方の面側には、電極触媒層40aL、多孔質シート層44aL、ガス拡散層40bL及びガス不透過シート46aLが設けられる。固体高分子電解質膜38の他方の面側には、一方の面側の構成要素に比べて寸法の小さな電極触媒層42aS、多孔質シート層44bS、ガス拡散層42bS及びガス不透過シート46bSが設けられる。   On one surface side of the solid polymer electrolyte membrane 38, an electrode catalyst layer 40aL, a porous sheet layer 44aL, a gas diffusion layer 40bL, and a gas impermeable sheet 46aL are provided. On the other surface side of the solid polymer electrolyte membrane 38, there are provided an electrode catalyst layer 42aS, a porous sheet layer 44bS, a gas diffusion layer 42bS, and a gas impermeable sheet 46bS which are smaller in size than components on one surface side. It is done.

このように構成される第2の実施形態では、電極触媒層40aL、42aSとガス拡散層40bL、42bSとの間には、発電面全面に亘って多孔質シート層44aL、44bSが配置されるとともに、前記多孔質シート層44aL、44bSは、前記ガス拡散層40bL、42bSの外周より外方に延在する外周縁部にガス不透過部44aa、44bbが設けられている。   In the second embodiment configured as described above, the porous sheet layers 44aL and 44bS are arranged over the entire power generation surface between the electrode catalyst layers 40aL and 42aS and the gas diffusion layers 40bL and 42bS. The porous sheet layers 44aL and 44bS are provided with gas-impermeable portions 44aa and 44bb at outer peripheral edges that extend outward from the outer periphery of the gas diffusion layers 40bL and 42bS.

しかも、固体高分子電解質膜38の一方の面では、電極触媒層40aLの外周縁部に跨って多孔質シート層44aLのガス不透過部44aaが配置されるとともに、前記ガス不透過部44aaの内周縁部に積層されるガス拡散層40bLの外周端とガス不透過シート46aLの内周端との境界部位を覆って、流路シール部34aが配置されている。同様に、固体高分子電解質膜38の他方の面では、電極触媒層42aSの外周縁部に跨って多孔質シート層44bSのガス不透過部44bbが配置されるとともに、前記ガス不透過部44bbの内周縁部に積層されるガス拡散層42bSの外周端とガス不透過シート46bSの内周端との境界部位を覆って、流路シール部36aが配置されている。   Moreover, on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 38, the gas impervious portion 44aa of the porous sheet layer 44aL is disposed across the outer peripheral edge portion of the electrode catalyst layer 40aL, and the inside of the gas impermeable portion 44aa A flow path seal portion 34a is disposed so as to cover a boundary portion between the outer peripheral end of the gas diffusion layer 40bL laminated on the peripheral portion and the inner peripheral end of the gas impermeable sheet 46aL. Similarly, on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 38, a gas impermeable portion 44bb of the porous sheet layer 44bS is disposed across the outer peripheral edge portion of the electrode catalyst layer 42aS, and the gas impermeable portion 44bb A flow path seal portion 36a is disposed so as to cover a boundary portion between the outer peripheral end of the gas diffusion layer 42bS laminated on the inner peripheral edge and the inner peripheral end of the gas impermeable sheet 46bS.

このため、第2の実施形態では、固体高分子電解質膜38を良好に保護するとともに、前記固体高分子電解質膜38等の劣化を有効に抑制することができ、燃料電池50を良好な状態で運転することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   For this reason, in the second embodiment, the solid polymer electrolyte membrane 38 is well protected, and the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 38 and the like can be effectively suppressed, and the fuel cell 50 is kept in a good state. The same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as enabling driving.

10、50…燃料電池 12、52…電解質膜・電極構造体
14、16…セパレータ 18a…酸化剤ガス入口連通孔
18b…酸化剤ガス出口連通孔 20a…燃料ガス入口連通孔
20b…燃料ガス出口連通孔 22a…冷却媒体入口連通孔
22b…冷却媒体出口連通孔 24…燃料ガス流路
24a…入口バッファ部 24b…出口バッファ部
30…酸化剤ガス流路 32…冷却媒体流路
34、36…シール部材 34a、36a…流路シール部
38…固体高分子電解質膜 40、54…アノード電極
40a、40aL、42a、42aS…電極触媒層
40b、40bL、42b、42bS…ガス拡散層
42、56…カソード電極
44a、44aL、44b、44bS…多孔質シート層
44aa、44bb…ガス不透過部
46a、46aL、46b、46bS…ガス不透過シート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 50 ... Fuel cell 12, 52 ... Electrolyte membrane electrode assembly 14, 16 ... Separator 18a ... Oxidant gas inlet communication hole 18b ... Oxidant gas outlet communication hole 20a ... Fuel gas inlet communication hole 20b ... Fuel gas outlet communication Hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole 24 ... Fuel gas flow path 24a ... Inlet buffer section 24b ... Outlet buffer section 30 ... Oxidant gas flow path 32 ... Cooling medium flow paths 34, 36 ... Seal members 34a, 36a ... flow path seal portion 38 ... solid polymer electrolyte membrane 40, 54 ... anode electrodes 40a, 40aL, 42a, 42aS ... electrode catalyst layers 40b, 40bL, 42b, 42bS ... gas diffusion layers 42, 56 ... cathode electrodes 44a 44aL, 44b, 44bS ... porous sheet layers 44aa, 44bb ... gas impervious portions 46a, 46aL, 46b, 46 S ... gas-impermeable sheet

Claims (4)

固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池であって、
少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、一方の前記電極を構成する前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間には、発電面全面に亘って多孔質シート層が配置され、
前記多孔質シート層は、前記ガス拡散層の外周より外方に延在する外周縁部を有し、前記外周縁部には、ガス不透過処理が施されたガス不透過部が設けられるとともに、
前記ガス拡散層の外周には、額縁状のガス不透過シートが配設されることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes each having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a separator are laminated,
At least one of the electrodes is set to have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane, and the entire surface of the power generation surface is interposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer constituting one of the electrodes. A porous sheet layer is disposed,
The porous sheet layer has an outer peripheral edge portion extending outward from the outer periphery of the gas diffusion layer, the outer peripheral portion, with the gas impermeable section of the gas impermeable processing has been performed is provided ,
A fuel cell , wherein a frame-shaped gas-impermeable sheet is disposed on an outer periphery of the gas diffusion layer .
請求項1記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記外周縁部にプレス処理又は樹脂含浸処理を施すことにより形成されることを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas impermeable portion is formed by subjecting the outer peripheral edge portion to a press treatment or a resin impregnation treatment. 3. 請求項1又は2記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記固体高分子電解質膜に直接対向することを特徴とする燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas impermeable portion directly faces the solid polymer electrolyte membrane. 4. 請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記ガス不透過部は、前記電極触媒層の外周と積層方向に重なり部を有することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas impermeable section, a fuel cell characterized by having an overlap portion on the outer periphery and the stacking direction of the electrode catalyst layer.
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