JP5987759B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池を構成する1つのセル(以下、「単位セル」とも呼ぶ)は、例えば、膜電極接合体をガス拡散層およびセパレータで挟持することによって構成される。膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒電極(アノードおよびカソード)が接合された発電モジュールである。なお、発電に供する反応ガスを流すためのガス流路は、セパレータのガス拡散層側の面に形成された溝流路や、ガス拡散層とセパレータとの間に配置された多孔体流路部材により構成される。 One cell (hereinafter also referred to as “unit cell”) constituting the fuel cell is configured, for example, by sandwiching a membrane electrode assembly between a gas diffusion layer and a separator. The membrane electrode assembly is a power generation module in which catalyst electrodes (anode and cathode) are joined to both surfaces of an electrolyte membrane. In addition, the gas flow path for flowing the reaction gas used for power generation is a groove flow path formed on the surface of the separator on the gas diffusion layer side, or a porous flow path member disposed between the gas diffusion layer and the separator. Consists of.
燃料電池に関し、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、アノード側ガス拡散層のセパレータ側の表面に、アノード流入側から下流に向かう有底の溝部を多列に有し、溝部に入り込んでいる水成分を下流側に持ち去ることにより、電解質膜の湿潤を図る構造が開示されている。 Various techniques have been proposed for fuel cells. For example, in the following Patent Document 1, the separator-side surface of the anode-side gas diffusion layer has multi-row bottomed groove portions from the anode inflow side to the downstream side, and water components entering the groove portions are arranged downstream. A structure that wets the electrolyte membrane by carrying away is disclosed.
ところで、膜電極接合体およびガス拡散層の周囲には、アノード側とカソード側とをシールするためのシール部(シール材)が設けられる。このシール部は、燃料電池の単位セルの製造時において、例えば、膜電極接合体およびガス拡散層をセパレータで挟んで加圧する際に、膜電極接合体およびガス拡散層の周囲に、流動性を有する液状あるいはジェル状のシール材(以下、「流動性シール材」と呼ぶ)を抽入して、熱硬化することによって形成される場合がある。そして、このようなシール部を有する単位セルでは、膜電極接合体の外周部で、電解質膜に膜痩せと呼ばれる現象が発生し、膜痩せが進むとアノードとカソードとの間で反応ガスのクロスリークが増大し、発電性能が低下する、という課題があった。しかしながら、上記特許文献1には、膜電極接合体の外周部で発生する電解質膜の膜痩せに関して何らの記載も示唆もなく、上記課題を解決することはできない。また、従来の燃料電池では、製造の容易化、低コスト化等が望まれていた。 By the way, a seal portion (seal material) for sealing the anode side and the cathode side is provided around the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer. This seal part provides fluidity around the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer when the fuel cell unit cell is manufactured, for example, when the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are sandwiched between the separators and pressurized. It may be formed by drawing a liquid or gel-like sealing material (hereinafter referred to as “fluid sealing material”) and thermosetting it. In a unit cell having such a seal portion, a phenomenon called membrane thinning occurs in the electrolyte membrane at the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly, and when the membrane thinning proceeds, the reaction gas crosses between the anode and the cathode. There was a problem that leakage increased and power generation performance decreased. However, Patent Document 1 does not have any description or suggestion regarding the membrane thinning of the electrolyte membrane generated at the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly, and cannot solve the above problem. Further, in the conventional fuel cell, it has been desired to facilitate manufacture, reduce costs, and the like.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノードが形成され、他方の面にカソードが形成された膜電極接合体と;前記アノードの表面に配置されたアノード側ガス拡散層と;前記カソードの表面に配置されたカソード側ガス拡散層と;前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータと;前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体の周囲に形成されたシール部と;を備え、前記カソードから前記カソード側セパレータまでを含む領域のうちの前記カソードの内側の外周部に対応する外周領域には、電気絶縁性の絶縁領域が形成されている。カソード側ガス拡散層の拡散によるカソードガスの供給のみでは供給量が不足する可能性があるカソードの内側の外周部において、カソードの電気化学反応に起因して電解質膜の膜痩せが発生する可能性があるのに対して、この形態の燃料電池では、カソードの内側の外周部に対応する外周領域に、電気絶縁性の絶縁領域が形成されているため、カソードの内側の外周部における電気化学反応を抑制することによって電気化学反応に起因して発生する電解質膜の膜痩せを抑制することが可能となる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell is provided. The fuel cell includes a membrane electrode assembly in which an anode is formed on one surface of an electrolyte membrane and a cathode is formed on the other surface; an anode-side gas diffusion layer disposed on the surface of the anode; A cathode-side gas diffusion layer disposed on a surface; an anode-side separator and a cathode-side separator sandwiching the anode-side gas diffusion layer and the membrane-electrode assembly on which the cathode-side gas diffusion layer is disposed; and the anode-side gas And a seal part formed around the membrane electrode assembly in which the diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer are disposed, and in the region including the cathode to the cathode side separator, An electrically insulating insulating region is formed in the outer peripheral region corresponding to the outer peripheral portion. There is a possibility that the supply amount may be insufficient if only the cathode gas is supplied by diffusion of the cathode side gas diffusion layer. On the outer periphery of the inside of the cathode, there is a possibility that the membrane of the electrolyte membrane may be thinned due to the electrochemical reaction of the cathode. On the other hand, in the fuel cell of this embodiment, since an electrically insulating insulating region is formed in the outer peripheral region corresponding to the outer peripheral portion inside the cathode, the electrochemical reaction in the outer peripheral portion inside the cathode By suppressing this, it is possible to suppress the thinning of the electrolyte membrane caused by the electrochemical reaction.
(2)上記形態の燃料電池において、前記絶縁領域は前記カソードの内側の外周部の全周にわたって形成されているようにしてもよい。この形態の燃料電池では、カソード側ガス拡散層の拡散によるカソードガスの供給のみでは供給量が不足する可能性があるカソードの内側の外周部の全周にわたって電気化学反応を抑制するが可能であり、電気化学反応に起因して発生する電解質膜の膜痩せを抑制することが可能となる。 (2) In the fuel cell of the above aspect, the insulating region may be formed over the entire circumference of the outer peripheral portion inside the cathode. In the fuel cell of this embodiment, it is possible to suppress the electrochemical reaction over the entire circumference of the inner peripheral portion of the cathode, where supply amount may be insufficient only by supplying the cathode gas by diffusion of the cathode side gas diffusion layer. It becomes possible to suppress the thinning of the electrolyte membrane caused by the electrochemical reaction.
(3)上記形態の燃料電池において、前記シール部は流動性を有する流動性シール材を硬化することによって形成されており、前記外周領域には、少なくとも、前記シール部が形成される際に、前記カソード側ガス拡散層の外周部において、前記流動性シール材が外周側から内側へ向かって流入した領域に挟まれた領域であって前記流動性シール材が流入しなかった領域が含まれるようにしてもよい。流動性シール材を硬化することによってシール部が形成される際に、カソード側ガス拡散層の外周部のうち、流動性シール材が流入した領域に挟まれた領域であって流動性シール材が流入しなかった領域に対応するカソードの内側の外周部では、カソード側ガス拡散層の拡散によるカソードガスの供給のみでは供給量が不足する可能性があり、カソードの電気化学反応に起因して電解質膜の膜痩せが発生する可能性がある。これに対して、この形態の燃料電池では、この領域を含む外周領域に、電気絶縁性の絶縁領域が形成されているため、この領域に配置されたカソードにおける電気化学反応を抑制することによって電気化学反応に起因して発生する電解質膜の膜痩せを抑制することが可能となる。 (3) In the fuel cell of the above aspect, the seal portion is formed by curing a fluid sealant having fluidity, and at least when the seal portion is formed in the outer peripheral region, The outer peripheral portion of the cathode-side gas diffusion layer includes a region sandwiched between regions in which the fluid sealing material flows inwardly from the outer periphery side and does not flow in the fluid sealing material. It may be. When the seal portion is formed by curing the fluid seal material, the outer periphery of the cathode-side gas diffusion layer is a region sandwiched by the region into which the fluid seal material flows, and the fluid seal material is In the outer peripheral part inside the cathode corresponding to the region that did not flow in, there is a possibility that the supply amount is insufficient only by the supply of the cathode gas by the diffusion of the cathode side gas diffusion layer, and the electrolyte is caused by the electrochemical reaction of the cathode. Film thinning may occur. On the other hand, in the fuel cell of this embodiment, since an electrically insulating insulating region is formed in the outer peripheral region including this region, the electric reaction is suppressed by suppressing the electrochemical reaction in the cathode disposed in this region. It is possible to suppress thinning of the electrolyte membrane caused by a chemical reaction.
(4)上記形態の燃料電池において、前記カソード側ガス拡散層の表面に沿ってカソードガスを流し、前記カソード側ガス拡散層を介して前記カソードに前記カソードガスを供給するためのカソードガス流路が、(i)前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス拡散層の側の表面に溝状のガス流路により形成され、又は、(ii)前記カソード側セパレータと前記カソード側ガス拡散層との間に配置された流路形成部材により形成されており;前記シール部が形成される際に、前記流動性シール材の前記カソードガス流路への流入を防止するための導電性のシーリングプレートが、前記シール部と前記カソードガス流路との間に配置されており;前記外周領域には、少なくとも、前記シーリングプレートが配置された領域が含まれるようにしてもよい。シーリングプレートが配置された領域に対応するカソードの内側の外周部では、カソード側ガス拡散層の拡散によるカソードガスの供給のみでは供給量が不足する可能性があり、カソードの電気化学反応に起因して電解質膜の膜痩せが発生する可能性がある。これに対して、この形態の燃料電池おいては、この領域を含む外周領域に、電気絶縁性の絶縁領域が形成されているため、この領域に配置されたカソードにおける電気化学反応を抑制することによって電気化学反応に起因して発生する電解質膜の膜痩せを抑制することが可能となる。 (4) In the fuel cell of the above aspect, a cathode gas flow path for flowing a cathode gas along the surface of the cathode side gas diffusion layer and supplying the cathode gas to the cathode through the cathode side gas diffusion layer (I) formed on the surface of the cathode side separator on the cathode side gas diffusion layer side by a groove-like gas flow path, or (ii) between the cathode side separator and the cathode side gas diffusion layer. A conductive sealing plate for preventing the flowable sealing material from flowing into the cathode gas flow path when the seal portion is formed; Disposed between the seal portion and the cathode gas flow path; and the outer peripheral region includes at least a region where the sealing plate is disposed. It may be. In the outer peripheral part inside the cathode corresponding to the area where the sealing plate is arranged, there is a possibility that the supply amount is insufficient only by the supply of the cathode gas by the diffusion of the cathode side gas diffusion layer, which is caused by the electrochemical reaction of the cathode. As a result, the electrolyte membrane may become thin. On the other hand, in the fuel cell of this embodiment, an electrically insulating insulating region is formed in the outer peripheral region including this region, so that the electrochemical reaction at the cathode disposed in this region is suppressed. Therefore, it is possible to suppress the thinning of the electrolyte membrane caused by the electrochemical reaction.
(5)上記形態の燃料電池において、前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス拡散層の側の表面に、前記カソードガス流路よりも外周側で前記カソードガス流路から独立した空間領域が形成されており;前記外周領域には、少なくとも、前記空間領域の形成された領域が含まれるようにしてもよい。カソードガス流路よりも外周側に形成された空間領域に位置するカソードの内側の外周部では、カソード側ガス拡散層の拡散によるカソードガスの供給のみでは供給量が不足する可能性があり、カソードの電気化学反応に起因して電解質膜の膜痩せが発生する可能性がある。これに対して、この形態の燃料電池においては、この領域を含む外周領域に、電気絶縁性の絶縁領域が形成されているため、この領域に配置されたカソードにおける電気化学反応を抑制することによって電気化学反応に起因して発生する電解質膜の膜痩せを抑制することが可能となる。 (5) In the fuel cell of the above aspect, a space region independent of the cathode gas flow channel is formed on a surface on the cathode side gas diffusion layer side of the cathode side separator on the outer peripheral side of the cathode gas flow channel. And the outer peripheral region may include at least a region where the space region is formed. In the outer peripheral part inside the cathode located in the space region formed on the outer peripheral side of the cathode gas flow path, there is a possibility that the supply amount is insufficient only by the supply of the cathode gas by the diffusion of the cathode side gas diffusion layer. Due to the electrochemical reaction, the electrolyte membrane may become thin. On the other hand, in the fuel cell of this embodiment, since an electrically insulating insulating region is formed in the outer peripheral region including this region, the electrochemical reaction in the cathode disposed in this region is suppressed. It is possible to suppress the thinning of the electrolyte membrane caused by the electrochemical reaction.
(6)上記形態の燃料電池において、前記絶縁領域は、前記外周領域における前記カソード側ガス拡散層から前記カソード側セパレータまでの少なくとも一層が絶縁処理されることによって形成されるようにしてもよい。この形態の燃料電池では、外周領域に容易に絶縁領域を形成することが可能である。 (6) In the fuel cell of the above aspect, the insulating region may be formed by insulating at least one layer from the cathode side gas diffusion layer to the cathode side separator in the outer peripheral region. In this type of fuel cell, it is possible to easily form an insulating region in the outer peripheral region.
(7)上記形態の燃料電池において、前記絶縁領域は、前記外周領域における前記カソードから前記カソード側セパレータまでの複数の層間のうちのいずれかの層間に、絶縁性部材が配置されることによって形成されるようにしてもよい。この形態の燃料電池でも、外周領域に容易に絶縁領域を形成することが可能である。 (7) In the fuel cell of the above aspect, the insulating region is formed by disposing an insulating member between any one of a plurality of layers from the cathode to the cathode-side separator in the outer peripheral region. You may be made to do. Even in this form of fuel cell, it is possible to easily form an insulating region in the outer peripheral region.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池を複数積層した燃料電池等の形態で実現することができる。 The present invention can be implemented in various forms other than the above. For example, it can be realized in the form of a fuel cell in which a plurality of fuel cells are stacked.
A.第1実施形態:
A1.燃料電池の概略構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池の単位セル100の構成を概略的に示す斜視図である。図2は、単位セル100の断面を概略的に示す断面図である。図2(a),(b),(c)は、それぞれ、図1の単位セル100のA−A断面,B−B断面,C−C断面を示している。なお、通常は、この単位セル100を複数積層することによって、スタック構造の燃料電池が構成される。
A. First embodiment:
A1. Schematic configuration of fuel cell:
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a
単位セル100は、図2(a)に示すように、膜電極接合体10(Membrane Electrode Assembly,MEA)を備える。膜電極接合体10は、電解質膜11の両面にアノード12aおよびカソード12cが形成された発電体モジュールである。また、単位セル100は、膜電極接合体10を両側から挟持するように、アノード側の面にガス拡散層(以下、「アノード側ガス拡散層」とも呼ぶ)20aおよびセパレータ(以下、「アノード側セパレータ」とも呼ぶ)40aを備えるとともに、カソード側の面にガス拡散層(以下、「カソード側ガス拡散層」とも呼ぶ)20c、流路形成部30c、およびセパレータ(以下、「カソード側セパレータ」とも呼ぶ)40cを備える。また、単位セル100は、図2(b),(c)に示すように、一対のセパレータ40a,40cの間に、膜電極接合体10とガス拡散層20a,20cと流路形成部30cの周囲を覆うシール部50を備える。
The
図1(a)の単位セル100の概略斜視図は、下側に位置するアノード側セパレータ40aのガス拡散層20a側の面の概略を主に示すために、上側に位置するカソード側セパレータ40cを破線で示している。また、一対のセパレータ40a,40cで挟持された他の要素(膜電極接合体10、ガス拡散層20a,20c、流路形成部30c、シール部50)を省略して示している。
The schematic perspective view of the
電解質膜11は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂あるいは炭化水素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード12aおよびカソード12cは、触媒(例えば白金、あるいは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。アノード12aの大きさは、本実施形態では、図2(b),(c)に示すように、電解質膜11とほぼ同じ大きさのものとした。また、カソード12cの大きさは、本実施形態では、図2(b),(c)に示すように、アノード12aの大きさよりも小さく、カソード側ガス拡散層20cよりも大きいものとした。
The
アノード側ガス拡散層20aはアノード12aの表面に配置されており、カソード側ガス拡散層20cはカソード12cの表面に配置されている。ガス拡散層20a,20cを形成する部材としては、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が用いられる。アノード側ガス拡散層20aの大きさは、本実施形態では、図2(b),(c)に示すように、膜電極接合体10のアノード12aの大きさとほぼ同じ大きさのものとした。また、カソード側ガス拡散層20cの大きさは、本実施形態では、図2(b),(c)に示すように、膜電極接合体10の電解質膜11よりも小さくカソード12cの大きさよりも大きいものとした。
The anode side
流路形成部30cは、上記したように、カソード側ガス拡散層20cの表面に積層される。流路形成部30cは、多孔体からなり、カソード側ガス拡散層20cの表面に沿って酸化剤ガス(「カソードガス」とも呼ぶ)としての空気を流すためのガス流路を形成する。流路形成部30cを形成する部材としては、導電性を有する多孔体、例えばエキスパンドメタルや発泡金属焼結体等が利用される。
As described above, the flow
カソード側セパレータ40cは、流路形成部30cの表面に積層されており、平面形状を有している(図2参照)。また、アノード側セパレータ40aは、アノード側ガス拡散層20aの表面に積層されている(図2参照)。また、アノード側セパレータ40aは、アノード側ガス拡散層20aの側に、その表面に沿って燃料ガス(「アノードガス」とも呼ぶ)としての水素を流すためのガス流路42mと、ガス流路42mへ外部からアノードガスを導入するためのガス導入流路42iおよびガス流路42mから外部へ排ガス(「アノードオフガス」とも呼ぶ)を排出するためのガス排出流路42o(不図示)と、を構成する凹凸形状を有している。ガス流路42mは、複数の溝状流路42mpに区分されている。ガス導入流路42iおよびガス排出流路42oも同様に複数の溝状流路に区分されている。なお、ガス流路を構成する凹凸形状は、隣接する単位セル100のカソード側セパレータ40cとの間で、その表面に沿って冷却水を流すための冷却水路(不図示)も構成する。流路の構造としては、サーペンタイン型やストレート型等の種々の構造が適用される。セパレータ40a,40cを形成する部材としては、ガス不透過で導電性を有する部材、例えば、ステンレス鋼などの金属や、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンや、焼成カーボン等を利用してプレス成型することにより形成される。
The
図1に示したように、セパレータ40a,40cは、矩形の外形形状を有している。そして、セパレータ40a,40cには、セパレータ40a,40cの厚さ方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。すなわち、アノード側セパレータ40aには、単位セル100の外部から供給されたカソードガス(空気)を流路形成部30cに導入するための複数のカソードガス導入用貫通孔44aiが、一方の長辺(図の左下辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40aには、流路形成部30cから排出されたカソードオフガスを単位セル100の外部に排出するための複数のカソードオフガス排出用貫通孔44aoが、他方の長辺(図の右上辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40aには、単位セル100の外部から供給されたアノードガス(水素)をガス流路42mにガス導入流路42iを介して導入するためのアノードガス導入用貫通孔46aiと、単位セル100の外部から供給された冷却水を冷却水流路に導入するための複数の冷却水導入用貫通孔48aiとが、一方の短辺(図の右下辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40aには、ガス流路42mから排出されたアノードオフガスを単位セル100の外部にガス排出流路42oを介して排出するためのアノードオフガス排出用貫通孔46aoと、冷却水流路から排出された冷却水を単位セル100の外部に排出するための複数の冷却水排出用貫通孔48aoとが、他方の短辺(図の左上辺)に沿って形成されている。
As shown in FIG. 1, the
同様に、カソード側セパレータ40cには、単位セル100の外部から供給されたカソードガス(空気)を流路形成部30cに導入するための複数のカソードガス導入用貫通孔44ciが、一方の長辺(図の左下辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40cには、流路形成部30cから排出されたカソードオフガスを単位セル100の外部に排出するための複数のカソードオフガス排出用貫通孔44coが、他方の長辺(図の右上辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40cには、単位セル100の外部から供給されたアノードガス(水素)をガス流路42mにガス導入流路42iを介して導入するためのアノードガス導入用貫通孔46ciと、単位セル100の外部から供給された冷却水を冷却水流路に導入するための複数の冷却水導入用貫通孔48ciとが、一方の短辺(図の右下辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40aには、ガス流路42mから排出されたアノードオフガスを単位セル100の外部にガス排出流路42oを介して排出するためのアノードオフガス排出用貫通孔46coと、冷却水流路から排出された冷却水を単位セル100の外部に排出するための複数の冷却水排出用貫通孔48coとが、他方の短辺(図の左上辺)に沿って形成されている。
Similarly, the cathode-
なお、セパレータ40a,40cの外形形状は、実際には、単位セル100を積層してスッタク構造の燃料電池を構成する際の締結部材のスペースや、燃料電池の設置筐体の形状等に応じて変形された外形形状を有しているが、発明の説明上特に関係がないので矩形形状とした。
The outer shapes of the
シール部50は、一対のセパレータ40a,40cの間において、ガス拡散層20a,20cが積層配置された膜電極接合体10および流路形成部30cの外周部、および、各貫通孔の周囲に形成されている(図2(b),(c)参照)。このシール部50は、流動性を有する流動性シール材(例えば、液状ゴム)を硬化することによって形成される。
Sealing
流動性シール材としては、熱硬化前には常に流動性を有する熱硬化性のシール材や、加熱時に粘度が低下して流動性を発現する熱可塑性の半硬化状態のシール材が用いられる。このため、図2(b)に示すように、アノードガス導入用貫通孔46aiのガス流路42m側であって、シール部50とアノード側セパレータ40aとの間には、ガス導入流路42iへの流動性シール材の流入を防止するためのシーリングプレート60aが配置されている。同様に、アノードオフガス排出用貫通孔46aoのガス流路42m側であって、シール部50とアノード側セパレータ40aとの間にも、シーリングプレート60aが配置されている(不図示)。また、図2(c)に示すように、カソードガス導入用貫通孔44ciの流路形成部30c側であって、シール部50と流路形成部30cとの間にも、流動性シール材の流路形成部30cへの流入を防止するためのシーリングプレート60cが配置されている。同様に、カソードオフガス排出用貫通孔44coの流路形成部30c側であって、シール部50と流路形成部30cとの間にも、シーリングプレート60c(不図示)が配置されている。シーリングプレート60a,60cとしては、例えば、導電性を有する金属プレートやカーボンプレート等が用いられる。
As the fluid sealing material, a thermosetting sealing material that always has fluidity before thermosetting, or a thermoplastic semi-cured sealing material that exhibits fluidity due to a decrease in viscosity during heating is used. For this reason, as shown in FIG. 2B, the
なお、本実施形態では、流路形成部30cの大きさは、図2(b),(c)に示すように、長辺の長さがカソード側ガス拡散層20cの長辺の長さよりも短く、短辺の長さがセパレータ40cにおけるカソードガス導入用貫通孔44iとカソードオフガス排出用貫通孔44oとの間隔よりも長いものとした。
In the present embodiment, the size of the flow
流路形成部30cは、図2(c)に示すように、セパレータ40cの厚さ方向から見たときに、セパレータ40cにおける長辺に沿った幅方向全体にわたって、カソードガス導入用貫通孔44ci内、および、カソードオフガス排出用貫通孔44co内に張り出すように形成されている。また、シーリングプレート60cも、セパレータ40cの厚さ方向から見たときに、セパレータ40cにおける長辺に沿った幅方向全体にわたって、カソードガス導入用貫通孔44ci内、および、カソードオフガス排出用貫通孔44co内に張り出すように形成されている。さらに、シーリングプレート60cは、セパレータ40cの厚さ方向から見たときに、セパレータ40cにおける長辺に沿った幅方向全体にわたって、流路形成部30cよりも、カソードガス導入用貫通孔44ci内、および、カソードオフガス排出用貫通孔44co内に張り出すように形成されている。
As shown in FIG. 2C, the flow
A2.単位セルの構造上の特徴:
図3は、単位セル100のカソード側ガス拡散層20cおよびカソード12cをカソード側セパレータ40cの側から見た平面図である。ただし、図3では、流路形成部30cを省略するとともに、カソード側セパレータ40cを破線で示し、カソード側ガス拡散層20cの外周端を実線枠で示し、カソード12cの外周端を一点鎖線枠で示している。単位セル100は、カソード側ガス拡散層20cの外周部に、絶縁処理された電気絶縁性の絶縁領域22を有する構造となっている点に特徴を有している。絶縁処理としては、PTFE被膜や、透明フッ素樹脂「サイトップ(AGC旭硝子株式会社の登録商標)」塗布、フッ素プラズマ処理等の種々の絶縁処理が適用可能である。また、外周部について、金メッキやカーボンコートを実施しないことによっても絶縁領域を形成することが可能である。以下では、図4および図5を用いてこの構造ついて詳述する。
A2. Structural features of the unit cell:
FIG. 3 is a plan view of the cathode side
図4は、図2(b)のB−B断面におけるカソード12cの外周部に対応するカソード側ガス拡散層20cの外周部に形成された絶縁領域22について示す説明図である。図4(a)は本実施形態を示しており、図4(b)は比較形態としてカソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域を有しない構造を示している。また、図4(a),(b)において、それぞれ上段は断面図を示し、下段は上段の断面領域を含む平面図をカソード側セパレータ40cおよび流路形成部30cを省略して示している。
FIG. 4 is an explanatory view showing an
まず、比較形態について説明する。上記したように、シール部50が流動性シール材を硬化することにより形成される場合、その形成過程において、流動性シール材は、膜電極接合体10、ガス拡散層20a,20cおよび流路形成部30cに流入する。この結果、発電モジュールである膜電極接合体10の発電が不可となる無効領域が形成される。また、流動性シール材の流入は一様ではなく、流動性シール材が流入した部分(以下、「シール材流入部分」とも呼ぶ)と流動性シール材が流入しなかった部分(以下、「シール材非流入部分」とも呼ぶ)とが存在する混在領域が形成される。従って、単位セル100には、十分な発電が可能な有効領域の外側の外周領域に、内側から外側へ向かって順に混在領域および無効領域が形成される。
First, a comparative example will be described. As described above, when the
アノード側では、シール材非流入部分のガス拡散層20aに対して、ガス導入流路42iを介してガス流路42mの溝状流路42mpに供給されたアノードガスとしての水素(H2)が供給され、対応するアノード12aに水素が十分に供給される。
On the anode side, hydrogen (H 2 ) as the anode gas supplied to the groove-like flow path 42mp of the
これに対してカソード側では、以下の問題が発生する。ガス拡散層20cには、通常、カソードガスとしての空気(Air)が図中矢印の方向に沿って流れる。このとき、ガス拡散層20cのシール材流入部分に挟まれたシール材非流入部分は、空気が滞留するとともに空気の流入が不足する領域(いわゆるエア溜まり、「エア供給不足領域」とも呼ぶ)となる。この結果、シール材非流入部分に対応するカソード12cの外周部では、供給される空気が不足するとともに、アノード12aから電解質膜11を介する透過水素の流入により酸素分圧、具体的には、酸素濃度が低下する。この結果、過酸化水素の発生増加を招き、これにより発生するOHラジカルによって電解質膜11を構成する樹脂の破壊を招いて、電解質膜11の劣化(いわゆる膜痩せ)が発生する。
On the other hand, the following problems occur on the cathode side. Normally, air (Air) as a cathode gas flows through the
本実施形態では、図3に示すように、カソード12cの外周部に対応するカソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されている。具体的には、図4(a)に示すように、カソード側ガス拡散層20cにおいて、シール材流入部分に挟まれたシール材流入領域が存在する混在領域(エア供給不足領域、図4(b)参照)を含む外周部に絶縁領域22が形成されている。この結果、エア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, an insulating
図5は、図2(c)のC−C断面におけるカソード12cの外周部に対応するカソード側ガス拡散層20cの外周部に形成された絶縁領域22について示す説明図である。図5(a)は本実施形態を示しており、図5(b)は比較形態としてカソード側ガス拡散層20cの外周端よりも外周部絶縁領域を有しない構造を示している。
FIG. 5 is an explanatory view showing an
まず、比較形態について説明する。図2(c)の説明においてもふれたように、カソードガス導入用貫通孔44ciの流路形成部30c側であって、シール部50と流路形成部30cとの間には、流動性シール材の流路形成部30cへの流入を防止するためのシーリングプレート60cが配置されている。従って、シーリングプレート60cの下側にあるカソード側ガス拡散層20cの領域は、流路形成部30cから直接的に空気が供給されないため、空気が流入し難く酸素分圧が低下し、エア供給不足領域となる。この結果、図4のエア溜まりと同様に、過酸化水素の発生増加を招き、電解質膜11の膜痩せが発生する。
First, a comparative example will be described. As mentioned in the description of FIG. 2C, the fluidity seal is provided between the
本実施形態では、図3に示すように、カソード12cの外周部に対応するカソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されている。具体的には、図5(a)に示すように、シーリングプレート60cが配置されているエア供給不足領域を含むカソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されている。この結果、シーリングプレート60c下のエア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。なお、以上説明したシーリングプレート60c下のエア供給不足領域には、図4で説明したエア溜りによるエア供給不足領域も含まれる場合があり、この領域も絶縁領域22に含まれるので、同様に、膜痩せを抑制することが可能である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, an insulating
以上のように、図4では、アノードガス導入用貫通孔46aiにつながるアノードガスのガス導入流路42iに配置されたシーリングプレート60aの領域の断面を例に説明した。図示は省略するが、アノードオフガス排出用貫通孔46aoにつながるガス排出流路42oに配置されたシーリングプレート60aの領域においても同様である。また、図5では、カソードガス導入用貫通孔44ci側における流路形成部30cとカソード側ガス拡散層20cとの間にシーリングプレート60cが配置された部分の断面を例に説明した。図示は省略するが、カソードオフガス排出用貫通孔44co側における流路形成部30cとカソード側ガス拡散層20cとの間にシーリングプレート60cが配置された部分においても同様である。また、図示は省略するが、アノード側に配置されたシーリングプレート60aの部分以外の短辺方向の他の部分およびカソード側に配置されたシーリングプレート60cの部分以外の長辺方向の他の部分においても同様に、カソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されているので、カソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、膜痩せを抑制することが可能である。
As described above, in FIG. 4, the cross section of the region of the sealing
A3.変形構成:
図6は、カソード側のガス流路を溝状のガス流路とした場合の変形例を示す説明図である。図6(a)は図4に対応する断面を示し、図6(b)は図5に対応する断面を示している。上記実施形態では、カソード側のガス流路を流路形成部30cで形成したが、アノード側と同様に、カソード側セパレータ40c’に複数の溝状流路42cmpを有するガス流路42cm、ガス導入流路42ciおよびガス排出流路42co(不図示)が形成された場合にも、同様に適用可能である。この場合も、図6(a)に示すように、カソード側ガス拡散層20cの外周部において、シール材流入部分に挟まれたシール材流入領域が存在する混在領域(エア供給不足領域、図4(b)参照)を含む外周部に絶縁領域22が形成されている。また、図6(b)に示すように、シーリングプレート60cが配置されているエア供給不足領域を含むカソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されている。
A3. Modified configuration:
FIG. 6 is an explanatory view showing a modification in the case where the gas flow path on the cathode side is a groove-shaped gas flow path. 6A shows a cross section corresponding to FIG. 4, and FIG. 6B shows a cross section corresponding to FIG. In the above embodiment, the cathode-side gas flow path is formed by the flow
なお、本実施形態では、カソード側ガス拡散層20cの外周部の全体に絶縁領域22が形成されている場合を例に説明したが、膜痩せが発生するエア供給不足領域に対応する外周部の部分を少なくとも含むように絶縁領域が形成されていればよい。
In this embodiment, the case where the insulating
B.第2実施形態:
図7は、本発明の第2実施形態としての単位セル100Bの流路形成部30cとカソード側ガス拡散層20cとカソード12cとをカソード側セパレータ40cの側から見た平面図である。なお、図7では、図3と同様に、カソード側セパレータ40cを破線で示すとともに、流路形成部30cの外周端を二点鎖線枠で示し、カソード側ガス拡散層20cの外周端を実線枠で示し、カソード12cの外周端を一点鎖線枠で示している。本実施形態の単位セル100Bは、流路形成部30cの外周部に、絶縁処理された電気絶縁性の絶縁領域32を有する構造となっている点に特徴を有している。絶縁処理としては、同様に、PTFE被膜や、透明フッ素樹脂「サイトップ(AGC旭硝子株式会社の登録商標)」塗布、フッ素プラズマ処理等の種々の絶縁処理が適用可能である。ただし、流路形成部30cの外周部では、液水が滞留すると氷点下において凍結してガス流路を閉塞してガス欠を発生させる可能性があるため、水の接触角が内側の内周部よりも小さな接触角となるように、すなわち、撥水性が高くなるように、絶縁処理することが望ましい。
B. Second embodiment:
FIG. 7 is a plan view of the flow
図8は、流路形成部30cの外周部に形成された絶縁領域32について示す説明図である。図8(a)は、図7のB−B断面、すなわち、第1実施形態の単位セル100の図4に対応する断面を示している。また、図8(b)は、図7のC−C断面、すなわち、第1実施形態の単位セル100の図5に対応する断面を示している。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the insulating
本実施形態の単位セル100Bでは、図8(a)に示すように、図4のエア供給不足領域を含むカソード12cの外周部に対応する流路形成部30cの外周部に絶縁領域32が形成されている。また、図8(b)に示すように、図5のエア供給不足領域を含むカソード12cの外周部に対応する流路形成部30cの外周部に絶縁領域32が形成されている。この結果、エア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。
In the
なお、本実施形態では、流路形成部30cの外周部の全体に絶縁領域32が形成されている場合を例に説明したが、膜痩せが発生するエア供給不足領域に対応する外周部の部分を少なくとも含むように絶縁領域が形成されていればよい。
In the present embodiment, the case where the insulating
C.第3実施形態:
図9は、本発明の第3実施形態としての単位セル100Cのカソード側ガス拡散層20cとカソード12cとをカソード側セパレータ40cの側から見た平面図である。なお、図9では、流路形成部30cを省略するとともに、カソード側ガス拡散層20cの外周端を実線枠で示し、カソード12cの外周端を一点鎖線枠で示している。本実施形態の単位セル100Cは、カソード側セパレータ40cの外周部に、絶縁処理された電気絶縁性の絶縁領域41を有する構造となっている点に特徴を有している。絶縁処理としては、同様に、PTFE被膜や、透明フッ素樹脂「サイトップ(AGC旭硝子株式会社の登録商標)」塗布、フッ素プラズマ処理等の種々の絶縁処理が適用可能である。また、金属材料を用いたセパレータの場合には、耐腐食性向上および接触抵抗低減を目的として、金メッキ処理やカーボンコート処理が行われるが、これらの処理を行わないことによっても、これらの処理を行った場合に比べて電気抵抗が高くなるので、外周部に対してこれらの処理を行わないことによって絶縁領域を形成することも可能である。ただし、カソード側セパレータ40cの外周部に隣接する流路形成部30cにおいて、液水が滞留すると氷点下において凍結してガス流路を閉塞してガス欠を発生させる可能性があるため、水の接触角が内側の内周部よりも小さな接触角となるように、すなわち、撥水性が高くなるように、絶縁処理することが望ましい。なお、この撥水性を高める処理については、図6に示した溝状のガス流路の場合においては、特に重要である。
C. Third embodiment:
FIG. 9 is a plan view of the cathode side
図10は、カソード側セパレータ40cの外周部に形成された絶縁領域41について示す説明図である。図10(a)は、図9のB−B断面、すなわち、第1実施形態の単位セル100の図4に対応する断面を示している。また、図10(b)は、図9のC−C断面、すなわち、第1実施形態の単位セル100の図5に対応する断面を示している。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the insulating
本実施形態の単位セル100Cでは、図10(a)に示すように、図4のエア供給不足領域を含むカソード12cの外周部に対応するカソード側セパレータ40cの外周部に絶縁領域41が形成されている。また、図10(b)に示すように、図5のエア供給不足領域を含むカソード12cの外周部に対応するカソード側セパレータ40cの外周部に絶縁領域41が形成されている。この結果、エア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。
In the
なお、本実施形態では、カソード側セパレータ40cの外周部の全体に絶縁領域41が形成されている場合を例に説明したが、膜痩せが発生するエア供給不足領域に対応する外周部の部分を少なくとも含むように絶縁領域が形成されていればよい。
In the present embodiment, the case where the insulating
D.第4実施形態:
図11は、本発明の第4実施形態としての単位セル100Dについて示す説明図である。図11は、第1実施形態の単位セル100の図5に対応する断面を示している。本実施形態の単位セル100Dでは、図11に示すように、エア供給不足領域発生の要因となっている導電性のシーリングプレート60cの全体に絶縁処理された電気絶縁性の絶縁領域61が形成されている点に特徴を有している。絶縁処理としては、PTFE被膜や、透明フッ素樹脂「サイトップ(AGC旭硝子株式会社の登録商標)」塗布、フッ素プラズマ処理等の種々の絶縁処理が適用可能である。この結果、シーリングプレート60c下のエア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。
D. Fourth embodiment:
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a
なお、本実施形態では、シーリングプレート60cの全体に絶縁領域61が形成されている場合を例に説明したが、膜痩せが発生するエア供給不足領域に対応する部分を少なくとも含むように絶縁領域が形成されていればよい。
In the present embodiment, the case where the insulating
図12は、シーリングプレートに絶縁領域が形成される場合の変形例を示す説明図である。なお、図12は、図11と同様に、第1実施解体の単位セル100の図5に対応し、上段は断面を示し、下段は上段の断面領域を含む平面を示している。変形例の単位セル100D’におけるシーリングプレート60Dcは、金属部材等の導電性部材で形成されたカソード側セパレータ40DCのカソードガス導入用貫通孔44ciおよびカソードオフガス排出用貫通孔44coに対応する部分を、スリット49の部分で流路形成部30cに沿って内側に折り曲げることにより形成される。絶縁領域61は、折り曲げ形成されたシーリングプレート60Dcの部分に対して絶縁処理することにより形成される。
FIG. 12 is an explanatory view showing a modification in the case where an insulating region is formed on the sealing plate. FIG. 12 corresponds to FIG. 5 of the
なお、流路形成部30cへのカソードガスとしての空気の供給および流路形成部30cからのカソードオフガスの排出は、スリット49部分を介して実行される。
The supply of air as the cathode gas to the flow
本変形例においても、絶縁領域61が形成される領域は、シーリングプレート60Dcの全体である必要はなく、膜痩せが発生するエア供給不足領域に対応する部分を少なくとも含むように絶縁領域が形成されていればよい。
Also in this modification, the region where the insulating
E.第5実施形態:
図13は、本発明の第5実施形態としての単位セル100Eについて示す説明図である。図13は、第1実施形態の単位セル100の図4に対応する断面を示している。本実施系形態の単位セル100Eでは、図13に示すように、カソード12cの外周部のエア供給不足領域を含む領域において、流路形成部30cの外周部とカソード側ガス拡散層20cの外周部との間に絶縁性フィルム70によって電気絶縁性の絶縁領域が形成されている。絶縁性フィルム70としては、例えば、カプトン(東レ・デュポン株式会社の商標)フィルムなどのポリイミドフィルムなど、種々の絶縁性部材が用いられる。厚さは、他の層の厚さとの関係から適宜選択設定される。例えば、12.5μm程度の厚さの絶縁性部材が利用される。この結果、本実施形態の単位セル100Eにおいても、エア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。
E. Fifth embodiment:
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a
図14は、絶縁領域が絶縁性フィルムによって形成される場合の変形例を示す説明図である。図14(a)の単位セル100E’は、カソード12cとガス拡散層20cとの間に絶縁性フィルム70が配置されている場合を示している。また、図14(b)の単位セル100E’’は流路形成部30cとカソード側セパレータ40cとの間に絶縁性フィルム70が配置されている場合を示している。いずれの場合にも、エア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。
FIG. 14 is an explanatory view showing a modification in the case where the insulating region is formed of an insulating film. A
なお、本実施系形態および変形例では、エア供給不足領域の内周側から流路形成部30cの外周端までを覆う絶縁性フィルム70によって絶縁領域が形成されている場合を説明したが、膜痩せが発生するエア供給不足領域に対応する部分を少なくとも含むように配置された絶縁性フィルムによって絶縁領域が形成されていればよい。
In the present embodiment and the modification, the case where the insulating region is formed by the insulating
F.第6実施形態:
図15は、本発明の第6実施形態としての単位セル100Fの構成を概略的に示す斜視図である。図16は図15のA−A断面を概略的に示す断面図であり、図17は図15のB−B断面を概略的に示す断面図である。
F. Sixth embodiment:
FIG. 15 is a perspective view schematically showing a configuration of a
単位セル100Fは、図16,17に示すように、第1〜第5実施形態の単位セル100〜100E(図1〜5,7〜14参照)とは異なり、カソード側の流路形成部30cを省略し、カソード側セパレータ40Fcおよびアノード側セパレータ40Faのどちらにも溝状のガス流路が形成された構造を有している。ただし、単位セル100Fは、一対のセパレータ40Fa,40Fcによって、膜電極接合体10およびガス拡散層20a,20cが挟持されている点は、他の実施形態の単位セル100〜100Eと同様である。また、単位セル100Fは、一対のセパレータ40Fa,40Fcの間における膜電極接合体10、ガス拡散層20a,20cの外周部、および、一対のセパレータ40Fa,40Fcの間における各貫通孔の周囲にシール部50が形成されている点も、他の実施形態の単位セル100〜100Eと同様である。さらにまた、単位セル100Fは、カソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されている点は、第1実施形態の単位セル100と同様である。
As shown in FIGS. 16 and 17, the
図15は、図1とは反対に、カソード側セパレータ40Fcを下側とし、アノード側セパレータ40Faを上側とした斜視図を示している。また、図15は、カソード側セパレータ40Fcのガス拡散層20c側の面のガス流路の概略を主に示すために、アノード側セパレータ40Faを破線で示すとともに、他の要素(膜電極接合体10、ガス拡散層20a,20c、シール部50)を省略して示している。
FIG. 15 shows a perspective view of the cathode side separator 40Fc on the lower side and the anode side separator 40Fa on the upper side, contrary to FIG. FIG. 15 shows the anode-side separator 40Fa by a broken line and mainly shows other elements (membrane electrode assembly 10) in order to mainly show the outline of the gas flow path on the surface of the cathode-side separator 40Fc on the
カソード側セパレータ40Fcは、カソード側ガス拡散層20cの表面に積層されている(図16,17参照)。また、カソード側セパレータ40Fcは、カソード側ガス拡散層20cの側に、その表面に沿って酸化剤ガス(カソードガス)としての空気を流すためのガス流路42cmと、ガス流路42cmへ外部からカソードガスを導入するためのガス導入流路42ciおよびガス流路42cmから外部へカソードオフガスを排出するためのガス排出流路42co(不図示)と、を構成する凹凸形状を有している。ガス流路42cmは、複数の溝状流路42cmpに区分されている。ガス導入流路42ciおよびガス排出流路42coについては、複数の溝状流路に区分されていても区分されていなくてもよい。
The cathode side separator 40Fc is laminated on the surface of the cathode side
アノード側セパレータ40Faは、アノード側ガス拡散層20aの表面に積層されている(図16,17参照)。また、アノード側セパレータ40Faは、アノード側ガス拡散層20aの側に、その表面に沿って燃料ガス(アノードガス)としての水素を流すためのガス流路42amと、ガス流路42amへ外部からカソードガスを導入するためのガス導入流路42ai(不図示)およびガス流路42amから外部へアノードオフガスを排出するためのガス排出流路42ao(不図示)と、を構成する凹凸形状を有している。ガス流路42amも、カソード側のガス流路42cmと同様に、複数の溝状流路42ampに区分されている。ガス導入流路42aiおよびガス排出流路42aoについても、カソード側のガス導入流路42ciおよびガス排出流路42coと同様に、複数の溝状流路に区分されていても区分されていなくてもよい。
The anode side separator 40Fa is laminated on the surface of the anode side
アノード側セパレータ40Faのガス流路が形成された面とは反対側の面およびカソード側セパレータ40Fcのガス流路が形成された面とは反対側の面には、隣接する単位セル100Cが積層された際に、互いに組み合わさる位置に、それぞれ、冷却水を流すための溝状の冷却水流路43a,43cを構成する凹凸形状を有している。冷却水流路43a,43cは、それぞれ、複数の溝状流路43ap,43cpに区分されている。
なお、ガス流路および冷却水流路の構造としては、サーペンタイン型やストレート型等の種々の構造が適用される。セパレータ40Fa,40Fcは、ガス不透過で導電性を有する部材、例えば、ステンレス鋼などの金属や、カーボンを圧縮してガス不透過として緻密性カーボンや、焼成カーボン等が用いられて、成型や射出成形、切削成形等により形成される。 In addition, various structures, such as a serpentine type and a straight type, are applied as a structure of a gas flow path and a cooling water flow path. The separators 40Fa and 40Fc are made of gas-impermeable and conductive members, such as metal such as stainless steel, and dense carbon, baked carbon, or the like that is compressed by gas and impermeable to gas. It is formed by molding, cutting molding or the like.
図15に示したように、セパレータ40Fa,40Fcは、矩形の外形形状を有している。そして、カソード側セパレータ40Fcには、複数のカソードガス導入用貫通孔44ciと冷却水導入用貫通孔48ciとアノードオフガス排出用貫通孔46coとが、一方の短辺(図の右下辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40Fcには、冷却水排出用貫通孔48coとアノードガス導入用貫通孔46ciとカソードオフガス排出用貫通孔44coとが、他方の短辺(図の左上辺)に沿って形成されている。同様に、アノード側セパレータ40Faには、複数のカソードガス導入用貫通孔44aiと冷却水導入用貫通孔48aiとアノードオフガス排出用貫通孔46aoとが、一方の短辺(図の右下辺)に沿って形成されている。また、セパレータ40Faには、冷却水排出用貫通孔48aoとアノードガス導入用貫通孔46aiとカソードオフガス排出用貫通孔44aoとが、他方の短辺(図の左上辺)に沿って形成されている。 As shown in FIG. 15, the separators 40Fa and 40Fc have a rectangular outer shape. The cathode separator 40Fc includes a plurality of cathode gas introduction through holes 44ci, a cooling water introduction through hole 48ci, and an anode off gas discharge through hole 46co along one short side (lower right side in the figure). Is formed. Further, in the separator 40Fc, a cooling water discharge through hole 48co, an anode gas introduction through hole 46ci, and a cathode off gas discharge through hole 44co are formed along the other short side (upper left side in the figure). . Similarly, the anode separator 40Fa has a plurality of cathode gas introduction through holes 44ai, cooling water introduction through holes 48ai, and anode off gas discharge through holes 46ao along one short side (lower right side in the figure). Is formed. Further, in the separator 40Fa, a cooling water discharge through hole 48ao, an anode gas introduction through hole 46ai, and a cathode off gas discharge through hole 44ao are formed along the other short side (upper left side in the figure). .
図18は、単位セル100Fのカソード側ガス拡散層20cおよびカソード12cをカソード側セパレータ40Fcの側から見た平面図である。なお、図18は、図3と同様に、流路形成部30cを省略するとともに、カソード側セパレータ40Fを破線で示し、カソード側ガス拡散層20cの外周端を実線枠で示し、カソード12cの外周端を一点鎖線枠で示している。単位セル100Fは、第1実施形態の単位セル100(図3参照)と同様に、カソード側ガス拡散層20cの外周部に、絶縁処理された電気絶縁性の絶縁領域22を有する構造となっている点に特徴を有している。
FIG. 18 is a plan view of the cathode-side
図16に示すように、本実施形態の単位セル100Fにおいても、第1実施形態と同様に(図5参照)、カソードガスをガス流路42cmに導くガス導入流路42cmiに対応する位置にシーリングプレート60cが配置されているため、シーリングプレート60cの下側にはエア供給不足領域が発生する。しかしながら、本実施形態の単位セル100Fにおいても、シーリングプレート60cが配置されているエア供給不足領域を含むカソード側ガス拡散層20cの外周部に絶縁領域22が形成されている。この結果、シーリングプレート60c下のエア供給不足領域に対応するカソード12cの外周部における電気化学反応を抑制し、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。なお、図16では、カソードガスのガス導入流路42cmi部分の断面を例に説明した。図示は省略するが、カソードオフガスのガス排出流路42cmo部分においても同様である。なお、以上説明したシーリングプレート60c下のエア供給不足領域には、図4で説明したエア溜りによるエア供給不足領域も含まれる場合があり、この領域も絶縁領域22に含まれるので、同様に、膜痩せを抑制することが可能である。
As shown in FIG. 16, also in the
また、図17に示すように、本実施形態の単位セル100Fでは、有効領域よりも外周側にガス流路とは直接的に繋がっていない閉塞した空間領域42caが形成される場合がある。なお、有効領域は、カソード側のガス流路42cmおよびアノード側のガス流路42amを介してアノードガス(水素)およびカソードガス(空気)が十分に供給される領域であって、望ましい発電特性が得られる発電部として機能する領域である。
Further, as shown in FIG. 17, in the
空間領域42caでは、膜電極接合体10およびガス拡散層20a,20cにおいて、シール部50を形成する流動性シール材が流入されておらず、ガス供給がなされることによって電気化学反応が発生する部分が含まれる場合がある。この反応部分には、カソード側ではガス拡散層20cの拡散によって空気が流入し、アノード側でもガス拡散層20aの拡散によって水素が流入する。拡散によって流入する水素および空気は十分ではないが、水素と空気とを比較すると水素のほうが空気に比べて流入しやすい。このため、空間領域42ca、特に反応部分は、エア供給不足領域となり、電解質膜11の膜痩せが発生する。
In the space region 42ca, in the
しかしながら、本実施形態の単位セル100Fでは、図17に示すように、空間領域42caに含まれるカソード側ガス拡散層20cに絶縁領域22が形成されている。これにより、エア供給不足領域となる空間領域42caでは、電気化学反応が抑制され、上記した過酸化水素の増加による膜痩せを抑制することが可能となる。なお、図示は省略するが、カソード側に配置されたシーリングプレート60cの部分以外の短辺方向の他の部分においても同様である。
However, in the
また、本実施形態では、カソード側ガス拡散層の外周部に絶縁領域22を形成した場合を例に説明しているが、第3実施形態の単位セル100Cのようにカソード側セパレータ40FCに絶縁領域41を形成するようにしてもよい。また、第4実施形態の単位セル100Dのように導電性のシーリングプレートに絶縁領域を形成するようにしてもよい。また、第5実施形態の単位セル100Eのように絶縁性フィルム70により絶縁領域を形成するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the insulating
F.変形例:
F1.変形例1:
上記実施形態では、アノード側のガス流路が溝状のガス流路で、カソード側のガス流路が多孔体による流路形成部あるいは溝状のガス流路の場合を例に説明したが、アノード側のガス流路も多孔体による流路形成部であってもよい。
F. Variations:
F1. Modification 1:
In the above embodiment, the case where the anode-side gas flow path is a groove-shaped gas flow path and the cathode-side gas flow path is a flow path forming portion or a groove-shaped gas flow path made of a porous body has been described as an example. The gas flow path on the anode side may also be a flow path forming section made of a porous material.
F2.変形例2:
上記実施形態では、カソード側ガス拡散層からカソード側セパレータまでのいずれかの一層が絶縁処理されることにより絶縁領域が形成される場合を例に説明しているが、複数の層が絶縁処理されることにより絶縁領域が形成されるようにしてもよい。
F2. Modification 2:
In the above embodiment, the case where an insulating region is formed by insulating one of the layers from the cathode side gas diffusion layer to the cathode side separator has been described as an example. However, a plurality of layers are insulated. Thus, an insulating region may be formed.
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…膜電極接合体
11…電解質膜
12a…アノード
12c…カソード
20a,20c…ガス拡散層
22…絶縁領域
30c…流路形成部
32…絶縁領域
40a,40c…セパレータ
40Fa,40Fc…セパレータ
41…絶縁領域
42m…ガス流路
42cmi…ガス導入流路
42cmo…ガス排出流路
42amp…溝状流路
42cmp…溝状流路
42i…ガス導入流路
42o…ガス排出流路
42ca…空間領域
42ai…ガス導入流路
42ci…ガス導入流路
42am…ガス流路
42ao…ガス排出流路
42co…ガス排出流路
42mp…溝状流路
43a,43c…冷却水流路
43ap,43cp…溝状流路
44i…カソードガス導入用貫通孔
44o…カソードオフガス排出用貫通孔
44ai,44ci…カソードガス導入用貫通孔
44ao,44co…カソードオフガス排出用貫通孔
46ai,46ci…アノードガス導入用貫通孔
46ao,46co…アノードオフガス排出用貫通孔
48ai,48ci…冷却水導入用貫通孔
48ao,48co…冷却水排出用貫通孔
49…スリット
50…シール部
60a,60c…シーリングプレート
60Dc…シーリングプレート
61…絶縁領域
70…絶縁性フィルム
100…単位セル
100B…単位セル
100C…単位セル
100D,100D’…単位セル
100E,100E’,100E’’…単位セル
100F…単位セル
DESCRIPTION OF
Claims (7)
電解質膜の一方の面にアノードが形成され、他方の面にカソードが形成された膜電極接合体と、
前記アノードの表面に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記カソードの表面に配置されたカソード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータと、
前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体の周囲に形成されたシール部と、
を備え、
前記カソードから前記カソード側セパレータまでを含む領域のうちの前記カソードの内側の外周部に対応する外周領域には、電気絶縁性の絶縁領域が形成されている
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly in which an anode is formed on one surface of an electrolyte membrane and a cathode is formed on the other surface;
An anode-side gas diffusion layer disposed on the surface of the anode;
A cathode-side gas diffusion layer disposed on the surface of the cathode;
An anode separator and a cathode separator that sandwich the membrane electrode assembly in which the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are disposed;
A seal portion formed around the membrane electrode assembly in which the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer are disposed;
With
An electrically insulating insulating region is formed in an outer peripheral region corresponding to an inner peripheral portion of the cathode in a region including the cathode to the cathode separator.
前記絶縁領域は前記カソードの内側の外周部の全周にわたって形成されていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The fuel cell according to claim 1, wherein the insulating region is formed over the entire circumference of the outer peripheral portion inside the cathode.
前記シール部は流動性を有する流動性シール材を硬化することによって形成されており、
前記外周領域には、少なくとも、前記シール部が形成される際に、前記カソード側ガス拡散層の外周部において、前記流動性シール材が外周側から内側へ向かって流入した領域に挟まれた領域であって前記流動性シール材が流入しなかった領域が含まれる
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The seal part is formed by curing a fluid sealant having fluidity,
In the outer peripheral region, at least when the seal portion is formed, in the outer peripheral portion of the cathode-side gas diffusion layer, the region sandwiched by the region into which the fluid sealing material flows inward from the outer peripheral side And a region where the fluid sealing material has not flowed is included.
前記カソード側ガス拡散層の表面に沿ってカソードガスを流し、前記カソード側ガス拡散層を介して前記カソードに前記カソードガスを供給するためのカソードガス流路が、(i)前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス拡散層の側の表面に溝状のガス流路により形成され、又は、(ii)前記カソード側セパレータと前記カソード側ガス拡散層との間に配置された流路形成部材により形成されており、
前記シール部が形成される際に、前記流動性シール材の前記カソードガス流路への流入を防止するための導電性のシーリングプレートが、前記シール部と前記カソードガス流路との間に配置されており、
前記外周領域には、少なくとも、前記シーリングプレートが配置された領域が含まれる
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 , wherein
A cathode gas flow path for flowing a cathode gas along the surface of the cathode side gas diffusion layer and supplying the cathode gas to the cathode through the cathode side gas diffusion layer includes: (i) the cathode side separator; Formed on the surface of the cathode side gas diffusion layer by a groove-like gas flow path, or (ii) formed by a flow path forming member disposed between the cathode side separator and the cathode side gas diffusion layer Has been
A conductive sealing plate for preventing the flowable sealing material from flowing into the cathode gas flow path when the seal part is formed is disposed between the seal part and the cathode gas flow path. Has been
The fuel cell, wherein the outer peripheral region includes at least a region where the sealing plate is disposed.
前記カソードガス流路は前記溝状のガス流路により形成されており、
前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス拡散層の側の表面に、前記カソードガス流路よりも外周側で前記カソードガス流路から独立した空間領域が形成されており、
前記外周領域には、少なくとも、前記空間領域の形成された領域が含まれる
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 4 , wherein
The cathode gas channel is formed by the groove-shaped gas channel,
On the cathode side gas diffusion layer side surface of the cathode side separator, a space region independent of the cathode gas channel is formed on the outer peripheral side of the cathode gas channel,
The fuel cell, wherein the outer peripheral region includes at least a region where the space region is formed.
前記絶縁領域は、前記外周領域における前記カソード側ガス拡散層から前記カソード側セパレータまでの少なくとも一層が絶縁処理されることによって形成される
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein
The insulating region is formed by insulating at least one layer from the cathode side gas diffusion layer to the cathode side separator in the outer peripheral region.
前記絶縁領域は、前記外周領域における前記カソードから前記カソード側セパレータまでの複数の層間のうちのいずれかの層間に、絶縁性部材が配置されることによって形成される
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein
The insulating region is formed by disposing an insulating member between any one of a plurality of layers from the cathode to the cathode-side separator in the outer peripheral region.
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