JP6144241B2 - Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame for fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜を第1電極及び第2電極で挟んだ段差MEAと、前記段差MEAの外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, comprising: a step MEA having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a first electrode and a second electrode; and a resin frame member that goes around the outer periphery of the step MEA. About.
一般的に、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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層(電極触媒層)とガス拡散層(多孔質カーボン)とを有している。 In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode electrode is disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon).
電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to constitute a fuel cell. This fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of fuel cells.
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差MEAを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きMEAが採用されている。 In the electrolyte membrane / electrode structure, one gas diffusion layer is set to a plane size smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane, and the other gas diffusion layer is set to the same plane size as the solid polymer electrolyte membrane. In other words, a so-called step MEA may be formed. At that time, in order to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the solid polymer electrolyte membrane having a thin film shape and low strength, an MEA with a resin frame incorporating a resin frame member is adopted. Has been.
樹脂枠付きMEAでは、固体高分子電解質膜に亀裂やせん断が発生することを抑制するために、段差MEAと樹脂枠部材との接合強度を良好に維持する必要がある。例えば、特許文献1に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体(樹脂枠付きMEA)が知られている。 In the MEA with a resin frame, it is necessary to maintain a good bonding strength between the step MEA and the resin frame member in order to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being cracked or sheared. For example, an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell (MEA with a resin frame) disclosed in Patent Document 1 is known.
この樹脂枠付きMEAでは、樹脂枠部材は、第2電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に接着接合される内周膨出部を有し、前記内周膨出部の接着接合面には、凹凸形状部位が設けられている。このため、樹脂枠部材の内周膨出部は、固体高分子電解質膜の外周縁部に対して強固且つ容易に接着接合することが可能になり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体全体の接合強度を確実に維持することができる、としている。 In this MEA with a resin frame, the resin frame member has an inner peripheral bulging portion that protrudes toward the outer peripheral side of the second electrode and is adhesively bonded to the outer peripheral edge portion of the solid polymer electrolyte membrane. The adhesive bonding surface is provided with an uneven portion. For this reason, the inner peripheral bulging portion of the resin frame member can be firmly and easily bonded and bonded to the outer peripheral edge portion of the solid polymer electrolyte membrane, and the entire electrolyte membrane / electrode structure with resin frame can be bonded. The bonding strength can be reliably maintained.
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成で、特に接着剤層に気泡が発生することを可及的に抑制することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することが可能な燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with this type of technology, and can easily suppress the generation of bubbles in the adhesive layer with a simple configuration, and can provide an electrolyte membrane / electrode structure as much as possible. It is an object of the present invention to provide an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell capable of bonding the resin frame member and the resin frame member firmly and with high quality.
本発明に係る燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差MEAと樹脂枠部材とを備えている。段差MEAでは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第1電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第2電極が設けられている。第1電極の平面寸法は、第2電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられている。 The electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell according to the present invention includes a step MEA and a resin frame member. In the step MEA, a first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. The planar dimension of the first electrode is set to be larger than the planar dimension of the second electrode. The resin frame member is provided around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane.
そして、段差MEAの他方の面側の外周縁部と樹脂枠部材との間には、接着剤を充填させる接着剤層が設けられるとともに、前記樹脂枠部材は、前記接着剤が接触する面をシボ形状面として構成している。シボ形状面は、粗さ曲線のクルトシスRkuが、3≦Rkuの関係を満たす。 An adhesive layer for filling the adhesive is provided between the outer peripheral edge on the other surface side of the step MEA and the resin frame member, and the resin frame member has a surface on which the adhesive contacts. It is configured as a textured surface. In the textured surface, the kurtosis Rku of the roughness curve satisfies the relationship of 3 ≦ Rku.
また、この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、シボ形状面は、凹凸の最大高さRzが、5≦Rzであることが好ましい。 In the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, it is preferable that the maximum height Rz of the uneven surface of the textured surface is 5 ≦ Rz .
本発明によれば、接着剤層に配置された接着剤は、樹脂枠部材と段差MEAとが密着される際に前記接着剤層内で伸ばされる。ここで、樹脂枠部材は、接着剤が接触する面をシボ形状面として構成している。このため、接着剤は、接着剤層内を円滑に流動するとともに、接着剤層内の空気は、シボ形状面の作用下に外部に良好に排気されている。 According to the present invention, the adhesive disposed in the adhesive layer is stretched in the adhesive layer when the resin frame member and the step MEA are brought into close contact with each other. Here, the resin frame member is configured such that the surface with which the adhesive contacts is a textured surface. For this reason, the adhesive smoothly flows in the adhesive layer, and the air in the adhesive layer is well exhausted to the outside under the action of the embossed surface.
従って、簡単な構成で、特に接着剤層に気泡が発生することを可及的に抑制することができる。これにより、接着剤は、接着剤層内で均一厚さに塗ることが可能になり、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができる。このため、段差MEAと樹脂枠部材とを強固且つ高品質に接合することが可能になる。 Therefore, it is possible to suppress the generation of bubbles in the adhesive layer as much as possible with a simple configuration. As a result, the adhesive can be applied in a uniform thickness within the adhesive layer, and variations in quality such as gas barrier properties and adhesion durability can be suppressed. For this reason, it becomes possible to join the step MEA and the resin frame member firmly and with high quality.
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、横長(又は縦長)の長方形状の固体高分子型燃料電池12に組み込まれる。複数の燃料電池12は、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane /
燃料電池12は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を第1セパレータ14及び第2セパレータ16で挟持する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。
In the
長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、図1〜図3に示すように、段差MEA10aを備える。段差MEA10aは、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(陽イオン交換膜)18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するアノード電極(第1電極)20及びカソード電極(第2電極)22とを有する。固体高分子電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。
The electrolyte membrane /
カソード電極22は、固体高分子電解質膜18及びアノード電極20よりも小さな平面寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極20は、固体高分子電解質膜18及びカソード電極22よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極20は、第2電極となり、カソード電極22は、第1電極となる。
The
図2及び図3に示すように、アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに接合される第1電極触媒層20aと、前記第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを設ける。第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜18と同一(又は同一未満)の外形寸法に設定される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
カソード電極22は、固体高分子電解質膜18の面18bに接合される第2電極触媒層22aと、前記第2電極触媒層22aに積層される第2ガス拡散層22bとを設ける。第2電極触媒層22aは、第2ガス拡散層22bよりも大きな外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜18の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。
The
なお、第2電極触媒層22aの平面寸法は、第2ガス拡散層22bの平面寸法と同一の寸法を有してもよく、又は、前記第2電極触媒層22aの平面寸法は、前記第2ガス拡散層22bの平面寸法よりも小さな寸法を有してもよい。
The planar dimension of the second
第1電極触媒層20aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第1ガス拡散層20bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層22aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第2ガス拡散層22bの表面に一様に塗布されて形成される。第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなるとともに、前記第2ガス拡散層22bの平面寸法は、前記第1ガス拡散層20bの平面寸法よりも小さく設定される。第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、例えば、固体高分子電解質膜18の両面に形成される。
The first
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、固体高分子電解質膜18の外周を周回するとともに、アノード電極20及びカソード電極22に接合される樹脂枠部材24を備える。樹脂枠部材24は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンゴム)又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)等で構成される。樹脂枠部材24は、その他、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィンで構成してもよい。
The resin membrane-attached electrolyte membrane /
図1及び図4に示すように、樹脂枠部材24は、枠形状を有する。樹脂枠部材24は、図2及び図3に示すように、内周基端部24sからカソード電極22側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部24aを有する。内側膨出部24aは、内周基端部24sから内方(矢印C方向)に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜18の外周縁部18btから第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bの外周端部22ae、22beの近傍に配置される。固体高分子電解質膜18の外周縁部18btは、カソード電極22の先端部から面方向外方に露出する。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
内側膨出部24aには、内周基端部24sに連続して、段差MEA10aの外周縁部、具体的には、アノード電極20を構成する第1電極触媒層20aの先端側に当接する凸状部26aが設けられる。凸状部26aは、第1電極触媒層20aの先端側を周回する枠形状に形成される。凸状部26aの内方端部には、段部26aeを介して前記凸状部26aより薄肉状に形成される平坦面部26bが設けられ、前記平坦面部26bは、該凸状部26aから内側膨出部24aの内周端縁部まで延在する。
The inner bulging
段差MEA10aの面18b側の外周縁部18btと樹脂枠部材24との間には、接着剤28aが充填される接着剤層28が設けられる。接着剤28aとして、例えば、高分子やフッ素系エラストマーが設けられる。なお、接着剤としては、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
An
樹脂枠部材24は、接着剤28aが接触する面、すなわち、平坦面部26bをシボ形状面30として構成する。第1の実施形態では、シボ形状面30は、後述するように、凹凸の最大高さRz(JIS規格)が、5≦Rzであるとともに、粗さ曲線のスキューネス(歪み度)Rsk(JIS規格)が、0≦Rskの関係に設定される。
The
図2に示すように、樹脂枠部材24とアノード電極20の第1ガス拡散層20bとは、接着用樹脂を用いた樹脂含浸部32により一体化される。樹脂含浸部32は、例えば、樹脂枠部材24に一体成形される樹脂突起部32tを加熱変形させて構成することができる。なお、樹脂含浸部32は、接着剤層28と同様に、接着剤28aを使用してもよい。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、燃料電池12の矢印B方向(図1中、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、酸化剤ガス入口連通孔40a、冷却媒体入口連通孔42a及び燃料ガス出口連通孔44bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔40aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔42aは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔44bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔40a、冷却媒体入口連通孔42a及び燃料ガス出口連通孔44bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, one end edge of the
燃料電池12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燃料ガス入口連通孔44a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔42b、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔40bが設けられる。燃料ガス入口連通孔44a、冷却媒体出口連通孔42b及び酸化剤ガス出口連通孔40bは、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
第2セパレータ16の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔40aと酸化剤ガス出口連通孔40bとに連通する酸化剤ガス流路46が設けられる。
An oxidant
第1セパレータ14の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔44aと燃料ガス出口連通孔44bとに連通する燃料ガス流路48が形成される。互いに隣接する第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔42aと冷却媒体出口連通孔42bとに連通する冷却媒体流路50が形成される。
A
図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材52が一体化される。第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材54が一体化される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、第1シール部材52は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を構成する樹脂枠部材24に当接する第1凸状シール52aと、第2セパレータ16の第2シール部材54に当接する第2凸状シール52bとを有する。第2シール部材54は、第2凸状シール52bに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第2凸状シール52bに代えて、第2シール部材54に凸状シール(図示せず)を設けてもよい。
As shown in FIG. 2, the
第1シール部材52及び第2シール部材54には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。
For the
次に、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を製造する方法について、以下に説明する。
Next, a method for manufacturing the electrolyte membrane /
先ず、段差MEA10aが作製される一方、樹脂枠部材24は、金型(図示せず)を用いて射出成形される。段差MEA10aでは、カーボンペーパの平坦面に、カーボンブラックとPTFE粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層を形成することにより、第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bが形成される。
First, the
一方、電極触媒に溶媒を加えた後、バインダー溶液を投入してカソード電極インク及びアノード電極インクが作成される。カソード電極インクは、PETフィルムにスクリーン印刷により塗工され、カソード電極シートが形成される。同様に、アノード電極インクは、PETフィルムにスクリーン印刷により塗工され、アノード電極シートが形成される。 On the other hand, after adding a solvent to the electrode catalyst, a binder solution is added to prepare a cathode electrode ink and an anode electrode ink. Cathode electrode ink is applied to a PET film by screen printing to form a cathode electrode sheet. Similarly, the anode electrode ink is applied to a PET film by screen printing to form an anode electrode sheet.
次いで、固体高分子電解質膜18が、カソード電極シート及びアノード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスを行った後、PETフィルムを剥離することにより接合体(CCM)が形成される。さらに、CCMは、第1ガス拡散層20bと第2ガス拡散層22bとに挟持され、ホットプレスにより一体化されて段差MEA10aが作製される。
Next, hot pressing is performed in a state where the solid
また、図4に示すように、樹脂枠部材24は、肉薄形状の内側膨出部24aを有する。内側膨出部24aには、内周基端部24sに連続して凸状部26aが設けられるとともに、前記凸状部26aの内方端部には、前記凸状部26aより薄肉状に形成される平坦面部26bが設けられている。なお、樹脂枠部材24には、必要に応じて樹脂突起部32tが一体成形される。
Moreover, as shown in FIG. 4, the
射出成形された樹脂枠部材24は、平坦面部26bにシボ加工処理が施されてシボ形状面30が形成される。シボ加工は、例えば、プラズマ装置等を使用して行うことができる。一方、図示しないが、射出成形用金型の成形面に、シボ形状面30に対応する凹凸形状を設けることにより、樹脂枠部材24の射出成形時に、前記シボ形状面30を形成してもよい。
The injection-molded
次に、図5に示すように、樹脂枠部材24には、内側膨出部24aの接着剤層28側の面に、接着剤28aが、例えば、図示しないディスペンサーを介して塗布される。さらに、樹脂枠部材24の内周基端部24sと段差MEA10aを構成する第1ガス拡散層20bの外周端部20be及び固体高分子電解質膜18の外周端部18eとが位置合わせされる。
Next, as shown in FIG. 5, the adhesive 28a is applied to the
図6に示すように、接着剤28aが加熱されるとともに、厚さ方向に荷重(プレス等)が付与される。このため、接着剤28aが加圧及び溶融され、前記接着剤28aは、接着剤層28内で伸ばされる。従って、樹脂枠部材24の内側膨出部24aと固体高分子電解質膜18の外周縁部18btとは、接着剤層28を介して接着される。
As shown in FIG. 6, the adhesive 28a is heated and a load (press or the like) is applied in the thickness direction. For this reason, the adhesive 28 a is pressurized and melted, and the adhesive 28 a is stretched in the
さらに、樹脂枠部材24の内周端部24aeの内周面と第2ガス拡散層22bの外周端部22beの先端面とは、接着剤層28を介して接着される。一方、樹脂枠部材24とアノード電極20の第1ガス拡散層20bとは、樹脂含浸部32により一体化される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10が製造される。
Further, the inner peripheral surface of the inner
この場合、第1の実施形態では、樹脂枠部材24は、接着剤28aが接触する面をシボ形状面30として構成している。このため、接着剤28aが、接着剤層28を流動する際、前記接着剤層28内の空気は、前記接着剤28aの流動に沿って移動し、外部に良好に排気される。
In this case, in the first embodiment, the surface of the
その際、シボ形状面30は、凹凸の最大高さRzが、5≦Rzに設定されている。従って、シボ形状面30は、接着面として十分なアンカー効果を発揮することができる。一方、固体高分子電解質膜18は、20μm〜30μmの厚さを有している。このため、最大高さRzが、20<Rzの関係を有すると、前記固体高分子電解質膜18が皺状に屈曲するおそれがある。これにより、5≦Rz≦20の関係に設定されることが好ましい。
At that time, the embossed
さらに、第1の実施形態では、シボ形状面30は、粗さ曲線のスキューネスRskが、0≦Rskの関係に設定されている。図7には、スキューネスRskが、0>Rskの関係に設定されたシボ形状面30comp.を有する樹脂枠部材24comp.が示されている。シボ形状面30comp.では、突起56comp.間に隙間58comp.が形成されており、前記隙間58comp.は、内方に向かって先細り形状を有している。
Furthermore, in the first embodiment, the
従って、接着剤28aは、隙間58comp.の内方(奥側)に流動するよりも先に、隣接する突起56comp.の壁面に付着し、前記隙間58comp.に空気が残存し易くなる。しかも、隙間58comp.は、奥側に向かって先細り形状を有するため、該奥側に行く程、接着剤28aの移動抵抗が高くなってしまう。このため、接着剤28aは、隙間58comp.の奥側に流入し難くなり、空気が残存して気泡が発生するという問題がある。 Accordingly, the adhesive 28a adheres to the wall surface of the adjacent protrusion 56comp. Before flowing inward (back side) of the gap 58comp., And air easily remains in the gap 58comp. Moreover, since the gap 58comp. Has a tapered shape toward the back side, the movement resistance of the adhesive 28a increases as it goes to the back side. For this reason, it is difficult for the adhesive 28a to flow into the back side of the gap 58comp., And there is a problem that air remains and bubbles are generated.
これに対して、第1の実施形態では、スキューネスRskが、0≦Rskの関係に設定されている。これにより、図8に示すように、シボ形状面30は、先細り形状の複数の突起56を有し、前記突起56間には、比較的幅広な隙間58が形成されている。従って、上記のシボ形状面30comp.の問題を解消することができる。
On the other hand, in the first embodiment, the skewness Rsk is set to a relationship of 0 ≦ Rsk. As a result, as shown in FIG. 8, the embossed
このため、第1の実施形態では、簡単な構成で、特に接着剤層28に気泡が発生することを可及的に抑制することができ、接着剤28aを前記接着剤層28内で均一厚さに塗ることが可能になる。これにより、ガス遮断性や接着耐久性等の品質にばらつきが発生することを抑制することができ、段差MEA10aと樹脂枠部材24とを強固且つ高品質に接合することが可能になるという効果が得られる。
For this reason, in the first embodiment, it is possible to suppress the generation of bubbles in the
このように構成される燃料電池12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔40aには、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44aには、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42aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔40aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路46に導入され、矢印B方向に移動して段差MEA10aのカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔44aから第1セパレータ14の燃料ガス流路48に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路48に沿って矢印B方向に移動し、段差MEA10aのアノード電極20に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
従って、各段差MEA10aでは、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層22a及び第1電極触媒層20a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
Therefore, in each
次いで、カソード電極22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40bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20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44bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas supplied and consumed to the
また、冷却媒体入口連通孔42aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、段差MEA10aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔42bから排出される。
In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium
図9は、本発明の第2の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体60の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体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。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は、省略する。
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view of a main part of an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体60は、段差MEA10aと樹脂枠部材62とを一体化して構成される。樹脂枠部材62は、平坦面部26bをシボ形状面64として構成する。シボ形状面64は、凹凸の最大高さRz(JIS規格)が、5≦Rzであるとともに、粗さ曲線のクルトシス(尖り度)Rku(JIS規格)が、3≦Rkuの関係に設定される。
The electrolyte membrane /
図10には、クルトシスRkuが、3>Rkuの関係に設定されたシボ形状面64comp.を有する樹脂枠部材62comp.が示されている。シボ形状面64comp.では、突起66comp.間に隙間68comp.が形成されるとともに、前記隙間68comp.は、内方の傾斜角度が急な傾斜面sfを有している。 FIG. 10 shows a resin frame member 62comp. Having a textured surface 64comp. In which Kurtosis Rku is set to have a relationship of 3> Rku. In the embossed surface 64comp., A gap 68comp. Is formed between the protrusions 66comp., And the gap 68comp. Has an inclined surface sf with a steep inner inclination angle.
従って、接着剤28aは、隙間68comp.の内方(奥側)に流動し難くなり、前記隙間68comp.に空気が残存し易くなる。このため、隙間68comp.の奥側には、空気が残存して気泡が発生するという問題がある。 Therefore, the adhesive 28a does not easily flow inward (back side) of the gap 68comp., And air easily remains in the gap 68comp. For this reason, there is a problem that air remains in the back side of the gap 68comp.
これに対して、第2の実施形態では、クルトシスRkuが、3≦Rkuの関係に設定されている。これにより、図11に示すように、シボ形状面64は、先細り形状の複数の突起66を有するとともに、前記突起66間には、段部を介して比較的複雑に湾曲する隙間68が形成されている。従って、隙間68内には、接着剤28aが入り難くなる部分が減少し、上記のシボ形状面64comp.の問題を解消することができる。
On the other hand, in the second embodiment, the kurtosis Rku is set to a relationship of 3 ≦ Rku. As a result, as shown in FIG. 11, the embossed
このため、第2の実施形態では、簡単な構成で、特に接着剤層28に気泡が発生することを可及的に抑制することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第1の実施形態と第2の実施形態とは、同時に採用することができる。すなわち、シボ形状面64は、凹凸の最大高さRzが、5≦Rz(≦20)であるとともに、粗さ曲線のスキューネスRskが、0≦Rskの関係を有し、且つ、粗さ曲線のクルトシスRkuが、3≦Rkuの関係を満たすことが可能である。
For this reason, the second embodiment has the same effects as those of the first embodiment, such as being able to suppress the generation of bubbles in the
図12は、本発明の第3の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体70の要部断面説明図である。
FIG. 12 is an explanatory cross-sectional view of a main part of an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体70は、段差MEA10aと樹脂枠部材72とを備える。樹脂枠部材72は、フィルム状に構成され、最大厚さは、凸状部26aの厚さに設定される。
The electrolyte membrane /
このように構成される第3の実施形態では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、樹脂枠部材72の薄肉化が容易に図られるという利点がある。
The third embodiment configured as described above has advantages that the same effects as those of the first and second embodiments described above can be obtained, and that the
10、60、70…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
10a…段差MEA 12…燃料電池
14、16…セパレータ 18…固体高分子電解質膜
18bt…外周縁部
18e、20be、22ae、22be…外周端部
20…アノード電極 20a、22a…電極触媒層
20b、22b…ガス拡散層 22…カソード電極
24、62、72…樹脂枠部材 24a…内側膨出部
24s…内周基端部 26a…凸状部
26b…平坦面部 28…接着剤層
28a…接着剤 30、64…シボ形状面
32t…樹脂突起部 40a…酸化剤ガス入口連通孔
40b…酸化剤ガス出口連通孔 42a…冷却媒体入口連通孔
42b…冷却媒体出口連通孔 44a…燃料ガス入口連通孔
44b…燃料ガス出口連通孔 46…酸化剤ガス流路
48…燃料ガス流路 50…冷却媒体流路
52、54…シール部材
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂枠部材と、
を備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体であって、
前記段差MEAの前記他方の面側の外周縁部と前記樹脂枠部材との間には、接着剤を充填させる接着剤層が設けられるとともに、
前記樹脂枠部材は、前記接着剤が接触する面をシボ形状面として構成し、
前記シボ形状面は、粗さ曲線のクルトシスRkuが、3≦Rkuの関係を満たすことを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 A first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimensions of the first electrode are A step MEA set to a dimension larger than the planar dimension of the second electrode;
A resin frame member provided around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane;
An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell comprising:
Between the outer peripheral edge portion on the other surface side of the step MEA and the resin frame member, an adhesive layer for filling an adhesive is provided,
The resin frame member is configured with a wrinkle-shaped surface on which the adhesive contacts ,
The textured surface has an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell , wherein the kurtosis Rku of the roughness curve satisfies a relationship of 3 ≦ Rku .
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