JP6150060B2 - Membrane electrode assembly with frame, single cell for fuel cell and fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型の燃料電池に用いられるフレーム付き膜電極接合体に関し、このフレーム付き膜電極接合体を用いた燃料電池用単セル、及び燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly with a frame used in a polymer electrolyte fuel cell, and relates to a single cell for a fuel cell and a fuel cell stack using the membrane electrode assembly with a frame.
この種の膜電極接合体としては、燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法の名称で特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、その外周において、アノード電極を除去した状態にして電解質膜を露出させている。また、樹脂製枠部材の内周には、アノード電極の厚さに相当する薄肉状の内周突部と、カソード電極側で厚さ方向に突出する樹脂突起部を設けている。そして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体は、露出している電解質膜に、樹脂製枠部材の内周突部を接着層により接合し、その後、樹脂突起部を加熱溶融させてカソード電極のガス拡散層に含浸させ、ガス拡散層内に樹脂含浸部を形成した構成になっている。
As this type of membrane electrode assembly, there is one described in
ところが、上記したような従来のフレーム付き膜電極接合体(燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体)では、例えば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じると、フレームが厚さ方向に撓むように変形し、フレームの内周突部と電解質膜との接合部に剥離荷重が作用することがある。このため、従来のフレーム付き膜電極接合体では、とくに、電解質膜がフッ素系材料のような難接着性の材料から成る場合に、フレームと電解質膜との接合強度が不充分になる可能性があるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。 However, in the conventional membrane electrode assembly with a frame (an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell) as described above, for example, when a differential pressure is generated between the anode gas and the cathode gas, the frame becomes thick. It may be deformed so as to bend in the vertical direction, and a peeling load may act on the joint between the inner peripheral projection of the frame and the electrolyte membrane. For this reason, in the conventional membrane electrode assembly with a frame, the bonding strength between the frame and the electrolyte membrane may be insufficient, particularly when the electrolyte membrane is made of a difficult-to-adhere material such as a fluorine-based material. There was a problem that there was, and it was a problem to solve such a problem.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、難接着性の材料から成る電解質膜を用いた場合でも、フレームと膜電極接合体の電解質膜との接合強度を高めることができるフレーム付き膜電極接合体を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and even when an electrolyte membrane made of a hardly adhesive material is used, the bonding strength between the frame and the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly is increased. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly with a frame.
本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を配置する開口部を有する樹脂製のフレームと、フレームの片面側に配置されて開口部の内周縁部に相対向する樹脂製の補助フレームを備えている。そして、フレーム付き膜電極接合体は、膜電極接合体の電解質膜が、電極層よりも外周側に延出した外周延出部と、外周延出部に形成した厚さ方向の貫通孔を有し、フレームの内周縁部と補助フレームとの間に、貫通孔を有する外周延出部を介在させた状態にして接着剤又は粘着剤から成る接合層を設け、前記接合層が、フレームから貫通孔を通して補助フレームに至るまで連続している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 A membrane electrode assembly with a frame according to the present invention includes a membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode layers, a resin frame having an opening for arranging the membrane electrode assembly, A resin-made auxiliary frame is provided on one side and faces the inner peripheral edge of the opening. The membrane electrode assembly with a frame has an outer peripheral extension portion in which the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly extends to the outer peripheral side of the electrode layer, and a through-hole in the thickness direction formed in the outer peripheral extension portion. Then, a bonding layer made of an adhesive or an adhesive is provided between the inner peripheral edge of the frame and the auxiliary frame with an outer peripheral extension having a through hole interposed therebetween, and the bonding layer penetrates from the frame. The structure continues from the hole to the auxiliary frame, and the above structure is used as a means for solving the conventional problems.
本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体は、接合層によってフレーム及び補助フレームと電解質膜の外周延長部とを接合しており、この際、接合層が、フレームから貫通孔を通して補助フレームに至るまで連続状態となるので、実質的に、フレームと補助フレームとを接合した状態が得られるうえに、接合層に対して、膜電極接合体の電解質膜が貫通孔の部分で機械的に係合した状態になる。これにより、フレーム付き膜電極接合体は、難接着性の材料から成る電解質膜を用いた場合でも、フレームと膜電極接合体の電解質膜との接合強度を高めることができる。 In the membrane electrode assembly with frame according to the present invention, the frame and the auxiliary frame are joined to the outer peripheral extension of the electrolyte membrane by the joining layer. At this time, the joining layer reaches the auxiliary frame from the frame through the through hole. Since it is in a continuous state, a state in which the frame and the auxiliary frame are substantially joined is obtained, and the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly is mechanically engaged with the joining layer at the through hole portion. It becomes a state. Thereby, the membrane electrode assembly with a frame can increase the bonding strength between the frame and the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly even when an electrolyte membrane made of a hardly adhesive material is used.
〈第1実施形態〉
図1に示す燃料電池スタックFSは、とくに図1(B)及び(C)に示すように、単セルCを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールMと、セルモジュールM同士の間に介装するシールプレートPとを備えている。図示例の単セルC及びシールプレートPは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図1(C)には、2つのセルモジュールMと、1つのシールプレートPを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールM及びシールプレートPを積層する。
<First Embodiment>
The fuel cell stack FS shown in FIG. 1 includes at least two or more cell modules M in which a plurality of single cells C are integrated and integrated, as shown in FIGS. And a seal plate P interposed therebetween. The unit cell C and the seal plate P in the illustrated example each have a rectangular plate shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions. In FIG. 1C, two cell modules M and one seal plate P are shown, but actually, a larger number of cell modules M and seal plates P are stacked.
また、燃料電池スタックFSは、セルモジュールMの積層方向の両端部に、エンドプレート56A,56Bを夫々配置し、単セルCの長辺側の積層端面(図1中で上下面)に、締結板57A,57Bが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板58A,58Bが設けてある。各締結板57A,57B及び補強板58A,58Bは、セルモジュールM及びシールプレートPから成る積層体Aの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート56A,56Bに連結する。
The fuel cell stack FS has
このようにして、燃料電池スタックFSは、図1(A)に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールM及びシールプレートPを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルCに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。また、図示例の単セルCは、長辺側の同じ位置に電圧測定用の外部端子59を有している。これに対して、図1中で上側となる一方の締結板57Aは、各単セルCの外部端子59が入り込むスリット57Sを有しており、外部端子59に対して、適数に分割したコネクタ(図示略)を接続可能にしている。
In this way, the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 1A. Each cell module M and the seal plate P are constrained and pressurized in the stacking direction, and each unit cell C is predetermined. In order to maintain good gas sealing performance and electrical conductivity. The single cell C in the illustrated example has an
単セルCは、図2に示すように、フレーム付き膜電極接合体2と、この膜電極接合体2を挟持する一対(アノード側及びカソード側)のセパレータ3,4を備えている。膜電極接合体2は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有し、その周囲に樹脂製のフレーム1及び補助フレーム5を備えている。また、フレーム1及び両セパレータ3,4は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。なお、フレーム1及び補助フレーム5と膜電極接合体2との接合については、後に詳しく述べる。
As shown in FIG. 2, the unit cell C includes a
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図3(A)に一部を示すように、固体高分子から成る電解質膜11を燃料極層(アノード)12と空気極層(カソード)13とで挟持した構造を有している。燃料極層11及び空気極層13は、図示を省略したが、膜電極接合体2側から、触媒層と、多孔質体から成るガス拡散層を夫々備えたものである。この膜電極接合体2は、燃料極層12にアノードガス(水素)が供給されると共に、空気極層13にカソードガス(空気)が供給されて、電気化学反応により発電をする。
The
各セパレータ3,4は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ3,4は、膜電極接合体2に対応する中央領域が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は、長辺方向に連続している。各セパレータ3,4は、膜電極接合体2に相対向する一方の面において、波形山部が膜電極接合体2に接触し、波形谷部がアノードガス又はカソードガスの流路になる。
Each of the
膜電極接合体2のフレーム1及び各セパレータ3,4は、短辺側の両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴H1〜H3,H4〜H6を有している。図1の左側に示す各マニホールド穴H1〜H3は、カソードガス供給用(H1)、冷却用流体供給用(H2)及びアノードガス排出用(H3)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図1の右側に示す各マニホールド穴H4〜H6は、アノードガス供給用(H4)、冷却流体排出用(H5)及びカソードガス排出用(H6)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
The
また、フレーム1及び各セパレータ3,4の周縁部や、マニホールド穴H1〜H6の周囲には、シール部材Sが連続的に配置してある。これらのシール部材Sは、接着剤としても機能するもので、フレーム1及び膜電極接合体2とセパレータ3,4とを気密的に接合する。また、マニホールド穴H1〜H6の周囲に配置したシール部材Sは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。
Further, a seal member S is continuously arranged around the peripheral edge of the
上記の単セルCは、所定枚数を積層してセルモジュールMを形成する。このとき、隣接する単セルC同士の間には、冷却用流体の流路を形成し、隣接するセルモジュールM同士の間にも冷却用流体の流路を形成する。したがって、シールプレートPは、セルモジュールM同士の間、すなわち冷却用流体の流路内に配置されている。 The unit cell C is formed by stacking a predetermined number of cell modules M. At this time, a cooling fluid channel is formed between the adjacent single cells C, and a cooling fluid channel is also formed between the adjacent cell modules M. Therefore, the seal plate P is disposed between the cell modules M, that is, in the flow path of the cooling fluid.
シールプレートPは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルCとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルCと同様のマニホールド穴H1〜H6が形成されている。このシールプレートPは、マニホールド穴H1〜H6の各周囲に、シール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材51及び内周シール部材52が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材51により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材52によりセルモジュールM間の流路を流通する冷却用流体の漏出を防止する。
The seal plate P is formed by molding a single conductive metal plate, is formed in the same rectangular plate shape and in the same size as the above-described single cell C in plan view, and on both short sides, Manifold holes H1 to H6 similar to the single cell C are formed. The seal plate P is provided with a seal member around each of the manifold holes H1 to H6, and an outer
フレーム付き膜電極接合体2は、図2及び図3(A)に示すように、膜電極接合体2を配置する開口部1Aを有する樹脂製のフレーム1と、フレーム1の片面側に配置されて開口部1Aの内周縁部1Cに相対向する樹脂製の補助フレーム5を備えている。フレーム1及び補助フレーム5は、同じ樹脂材料で形成することがより望ましいが、異種の樹脂材料であっても構わない。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3A, the
この実施形態のフレーム1は、膜電極接合体2を配置する開口部1Aと、開口部1Aの周縁に沿って形成され且つフレーム1の厚さ分に相当する段差部1Bを備えていて、図3(A)に示すように、前記内周縁部1Cが、段差部1Bによりフレーム1の片面側(図3で上側)に偏倚した状態で開口部1A内に延出している。これにより、フレーム1は、本体部分と内周縁部1Cの厚さがほぼ等しく、段差部1Bにおいて肉厚になっている。
The
補助フレーム5は、フレーム1の内周縁部1Cに対応した矩形枠状を成していて、フレーム1の内周縁部1Cにおける偏倚側とは反対側の面(図3で下面)に配置してある。なお、補助フレーム5は、図示例の如く一体成型品であっても良いし、複数の部品を組み合わせて成るものでも良い。
The
これらフレーム1,5に対して、膜電極接合体2は、図2(B)及び図3に示すように、外周縁部において、電解質膜11が電極層12,13よりも外周側に延出した状態になっていて、この延出部分を外周延出部11Aとし、外周延出部11Aに、厚さ方向の貫通孔11Bが形成してある。外周延出部11Aは、膜電極接合体2の外周部全体にわたって形成してある。また、貫通孔11Bは、複数個であって、外周延出部11Aにおいて所定間隔で配置されている。
With respect to these
そして、膜電極接合体2は、図3(B)に示すように、フレーム1の内周縁部1Cと補助フレーム5との間に、貫通孔11Bを有する外周延出部11Aを介在させた状態にして、接着剤又は粘着剤から成る接合層14を設けている。この際、膜電極接合体2の電解質膜11の外周延出部11Aは、接合層14に埋設された状態になる。また、フレーム付き膜電極接合体2は、フレーム1の内周縁部1Cが、燃料極層12側に偏倚している。
And the
なお、図2では、枠状の接合層14を示しているが、実際の接合層14は、スクリーン印刷や塗布により設けられる。また、図3(A)では、フレーム1及び補助フレーム5と膜電極接合体2の電極層(12,13)との間に、溝状の隙間があるが、この隙間は、フレーム1及び補助フレーム5や膜電極接合体2の寸法公差を吸収するものであり、無くても構わない。
In FIG. 2, the frame-
上記構成を備えたフレーム付き膜電極接合体2は、接合層14によってフレーム1及び補助フレーム5と電解質膜11の外周延長部11Aとを接合している。この接合部分は、接合層14がフレーム1から貫通孔11Bを通して補助フレーム5に至るまで連続状態となるので、実質的に、フレーム1と補助フレーム5とを接合した状態が得られる。また、接合部分は、接合層14に対して、膜電極接合体2の電解質膜11が貫通孔11Bの部分で機械的に係合した状態になり、いわゆるアンカー効果が期待できる。
The framed
このようにして、フレーム付き膜電極接合体2は、フッ素系材料のような難接着性の材料から成る電解質膜11を用いた場合でも、簡単な構造で、フレーム1と膜電極接合体2の電解質膜11との接合強度を高めることができ、高い耐久性を有するものとなる。
Thus, the
これにより、フレーム付き膜電極接合体2は、例えば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧によりフレーム1が厚さ方向に撓むように変形した場合や、電解質膜11に膨潤による収縮変形が生じた場合でも、フレーム1と電解質膜11との良好な接合状態を維持することができる。また、フレーム付き膜電極接合体2は、上記の接合強度の向上に伴って、接合層14を形成する接着剤や粘着剤の選択の自由度が高められる。
Thereby, the
さらに、フレーム付き膜電極接合体2は、膜電極接合体2における電解質膜11の外周延出部11Aを、フレーム1の内周縁部1Cと補助フレーム5とで挟持するので、膜電極接合体2の外周部分すなわち発電領域外の部分には、電極層(12,13)が無いものとなる。これにより、フレーム付き膜電極接合体2は、電極層(12,13)を必要最小限の大きさにし、高価な触媒を含む電極層の材料を節減して、製造コストの低下に貢献することができる。
Furthermore, since the
さらに、上記実施形態のフレーム付き膜電極接合体2は、段差部1Bを有するフレーム1を採用したことから、膜電極接合体2との接合部分である内周縁部1Cの厚さが本体部分の厚さとほぼ等しくなると共に、段差部1Bで肉厚となる。これにより、フレーム付き膜電極接合体2は、薄肉状の内周突部を有する樹脂製枠部材を用いた従来構造に比べて、厚さ方向に作用する力に対して充分な強度を確保することができ、
Furthermore, since the
また、フレーム付き膜電極接合体2は、フレーム1において、段差部1Bにより内周縁部1Cを片面側に偏倚させた状態にし、この内周縁部1Cと補助フレーム5とで電解質膜11のが外周延出部11Aを挟持するので、フレーム1の厚さ中心と膜電極接合体2の厚さ中心とを一致させて、双方を接合することができる。さらに、フレーム付き膜電極接合体2は、段差部1Bによる肉厚の確保により、成形性(樹脂の流動性)が向上し、品質を高めることができる。
Further, the
上記のフレーム付き膜電極接合体2を備えた単セルCや、単セルCを積層して成るセルモジュールM及び燃料電池スタックFSにおいても、接合強度の向上に伴う耐久性の向上や、製造コストの低減などを実現することができる。また、単セルCは、図3に示すように、両セパレータ3,4により、フレーム1及び補助フレーム5と電解質膜11の外周延出部11Aとの接合部分を挟持し、双方の接合状態を良好に維持する構造である。
In the single cell C including the
図4〜図7は、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の他の実施形態を説明する図である。以下の実施形態において、第1実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 4-7 is a figure explaining other embodiment of the membrane electrode assembly with a frame concerning this invention. In the following embodiments, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
〈第2実施形態〉
図4に示すフレーム付き膜電極接合体2は、フレーム1の内周縁部1C及び補助フレーム5の相対向面に、互いに対を成して接合層14の厚さを維持するための突起部1T,5Tを設けた構成である。このとき、フレーム付き膜電極接合体2は、より望ましい実施形態として、電解質膜11の外周延出部11Aにおける貫通孔11Bを、フレーム1の内周縁部1C及び補助フレーム5に設けた突起部1T,5Tとは異なる位置に設けている。
Second Embodiment
A
また、この実施形態では、スクリーン印刷で接着剤や粘着剤を塗布する場合には、図4(C)に示すように、フレーム1の内周縁部1C及び補助フレーム5において、突起部1T,5Tの高さに相当する厚さで接着剤や粘着剤(14)を塗布し、その後、電解質膜11の外周延出部11Aを介在させて双方を接合することで、図4(B)に示す接合層14を形成する。
In this embodiment, when an adhesive or a pressure-sensitive adhesive is applied by screen printing, as shown in FIG. 4C, the
上記構成を備えたフレーム付き膜電極接合体2は、フレーム1及び補助フレーム5の突部1T,5Tの間で電解質膜11の外周延出部11Aが挟持された状態になり、双方の突部1T,5Tにより、フレーム1と補助フレーム5との間隔、すなわち接合層14の厚さを一定に維持することができる。しかも、突部1T,5Tにより、接合層14との接合面積が拡大され、接合強度のさらなる向上を実現することができる。
The
したがって、このフレーム付き膜電極接合体2を含む燃料電池用単セルCを積層して成る燃料電池スタックFSにおいては、各単セルCの接合層14の厚さが均一になり、接合強度のばらつきを防止することができる。
Therefore, in the fuel cell stack FS formed by laminating the fuel cell single cells C including the
また、上記のフレーム付き膜電極接合体2は、フレーム1の内周縁部1C及び補助フレーム5に設けた突起部1T,5Tと、電解質膜11の外周延出部11Aにおける貫通孔11Bとの位置をずらせているので、外周延出部11Aの貫通孔11B内に接着剤や粘着剤が確実に充填されることとなり、外周延出部11Aと接合層14との接合強度、ひいてはフレーム1及び補助フレーム5と電解質膜11との接合強度を高く維持し得る。さらに、フレーム1及び補助フレーム5と電解質膜11との接合時において、突部1T,5T間に空気が混入するような事態を防ぐことができる。
In addition, the
〈第3実施形態〉
図5に要部を示すフレーム付き膜電極接合体2は、フレーム1の内周縁部1C及び補助フレーム5の各突起部1T,5Tが、複数箇所に設けてあると共に、電解質膜11の外周延出部11Aにおける貫通孔11Bが、複数箇所に設けてある。
<Third Embodiment>
In the
このフレーム付き膜電極接合体2は、夫々に対を成す突起部1T,5T同士のうちから選択された突起部1TS,5TS同士において、一方の突起部1TS(5TS)の高さを他方の突起部5TS(1TS)の高さよりも小さくしている。したがって、選択された突起部1TS,5TSの間には、隙間が形成される。そして、上記膜電極接合体2は、選択された突起部1TS,5TS同士の間に、各貫通孔11Bのうちのいずれかの貫通孔11Bを配置した構成になっている。
In this
なお、図5には、二対の突起部1T,5T同士が、いずれも一方の突起部1TS(5TS)の高さを小さくし、これらの間に貫通孔11Bを配置した構成を示しているが、これら以外に、図4(B)に示すような同じ高さの突起部1T,5T同士も存在し、また、突起部1T,5Tとは異なる位置の貫通孔11Bも存在する。
FIG. 5 shows a configuration in which two pairs of
上記のフレーム付き膜電極接合体2は、第1実施形態においてフレーム1と補助フレーム5との間において得られた接合状態を、突起部1TS,5TS同士の間においても得ることができる。
In the
すなわち、膜電極接合体2は、突起部1TS,5TS同士の間において、接合層14が、フレーム1の突起部1TSから貫通孔11Bを通して補助フレーム5の突起部1TSに至るまで連続した状態になると共に、接合層14に対して電解質膜11が貫通孔11Bの部分で機械的に係合した状態になる。
That is, the
このように、膜電極接合体2は、突起部1TS,5TSの頂面をも接着面として使用することができるので、フレーム1及び補助フレーム5と電解質膜11との接合強度をより一層高めることができ、若しくは接合強度を確保しつつ双方の接合面積を減らして小型化を図ることもできる。
Thus, since the
〈第4実施形態〉
図6(A)〜(C)は、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第4実施形態において、フレーム1の突起部1Tと電解質膜11の貫通孔11Bの配置を説明する電解質膜11の外周延出部11Aの平面図である。なお、補助フレーム5の突起部5Tは、フレーム1の突起部1Tと同じ位置である。そして、この実施形態のフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜11の外周延出部11Aにおける貫通孔11Bが、複数箇所に設けてあると共に、千鳥状に配置してある。
<Fourth embodiment>
6 (A) to 6 (C) show an
図6(A)に示す例は、点線で示す突起部1T、及び実線で示す貫通孔11Bが、いずれも平面視で円形を成していて、突起部11Bを所定間隔で配列して、これを二列配置し、その列間に、複数の貫通孔11Bを千鳥状に配置した構成である。
In the example shown in FIG. 6A, the
図6(B)に示す例は、直線状の二つの突起部11Bを平行に配置し、その間に、平面視で円形を成す複数の貫通孔11Bを千鳥状に配置した構成である。
The example shown in FIG. 6B has a configuration in which two
図6(C)に示す例は、直線状の二つの突起部11Bを平行に配置し、その間に、平面視で楕円形を成す複数の貫通孔11Bを千鳥状に配置した構成である。
The example shown in FIG. 6C has a configuration in which two
上記構成を備えたフレーム付き膜電極接合体では、フレーム及び補助フレームとの間において、各貫通孔11Bを通して接合層が連続状態になると共に、フレームと補助フレームとの間に介在する電解質膜11の外周延出部11Aが、貫通孔11Bにより接合層に機械的に係合した状態になる。
In the membrane electrode assembly having the above-described configuration, the joining layer is continuous through the through
そして、フレーム付き膜電極接合体では、上記の接合状態を成立させる複数の貫通孔11Bを千鳥状に配置しているので、接合部分全体にわたって高い接合強度を均一に得ることができ、若しくは接合強度を確保しつつ双方の接合面積を減らして小型化を図ることもできる。なお、フレーム1の突起部1Tや電解質膜11の貫通孔11Bは、その形状や配置が上記各実施形態に限定されるものではない。ただし、電解質膜11は、非常に薄い膜であるから、これに形成する貫通孔11Bは、応力集中し易い角の無いものとして、円形や楕円形であることがより望ましい。
And in the membrane electrode assembly with a frame, since the plurality of through
〈第5実施形態〉
図6(D)は、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体の第5実施形態を説明する電解質膜の外周延長部の断面図である。この実施形態のフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜11の外周延出部11Aにおける貫通孔11Bが、複数箇所に設けてあると共に、隣接する貫通孔11B同士が、図中の矢印で示すように、異なる方向から打ち抜き成形したものとなっている。
<Fifth Embodiment>
FIG. 6D is a cross-sectional view of the outer peripheral extension of the electrolyte membrane for explaining the fifth embodiment of the membrane electrode assembly with frame according to the present invention. In the membrane electrode assembly with a frame of this embodiment, the through
上記のフレーム付き膜電極接合体は、隣接する貫通孔11B同士を異なる方向から打ち抜き成形することで、外周延出部11Aの両面側において同等の接合状態を得ることができる。これは、電解質膜11の外周延出部11Aに貫通孔11Bを成形する場合、貫通孔11Bの縁部に不可避的にバリが生じることがあり、同一方向から貫通孔11Bを成形すると、外周延出部11Aの片面側のみにバリが存在し、外周延出部11Aの両面側で接合状態に差が生じるおそれがある。
The above-mentioned membrane electrode assembly with a frame can obtain an equivalent joined state on both sides of the outer
これに対して、上記のフレーム付き膜電極接合体は、隣接する貫通孔11B同士を異なる方向から打ち抜き成形することにより、外周延出部11Aの片側にバリが偏らないようにし、外周延出部11Aの両面側の接合状態を同等にして、フレーム1及び補助フレーム5と電解質膜11との接合状態をより良いものにすることができる。
On the other hand, the membrane electrode assembly with a frame described above is formed by punching and forming adjacent through
なお、本発明に係わるフレーム付き膜電極接合体、燃料電池用単セル、及び燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各構成部位の材料、形状、大きさ、数及び配置などを適宜変更することができる。 In addition, the membrane electrode assembly with frame, the single cell for fuel cell, and the fuel cell stack according to the present invention are not limited to the above embodiments, and the scope of the present invention is not deviated. The material, shape, size, number, arrangement, and the like of each component can be changed as appropriate.
1 フレーム
1A 開口部
1B 段差部
1C 内周縁部
1T,5T 突起部
1TS、5TS 選択した突起部
2 膜電極接合体
3,4 セパレータ
5 補助フレーム
11 電解質膜
11A 外周延出部
11B 貫通孔
12 燃料極層(電極層)
13 空気極層(電極層)
14 接合層
C 燃料電池用単セル
FS 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF
13 Air electrode layer (electrode layer)
14 Bonding layer C Single cell for fuel cell FS Fuel cell stack
Claims (9)
膜電極接合体を配置する開口部を有する樹脂製のフレームと、
フレームの片面側に配置されて開口部の内周縁部に相対向する樹脂製の補助フレームを備え、
膜電極接合体の電解質膜が、電極層よりも外周側に延出した外周延出部と、外周延出部に形成した厚さ方向の貫通孔を有し、
フレームの内周縁部と補助フレームとの間に、貫通孔を有する外周延出部を介在させた状態にして接着剤又は粘着剤から成る接合層を設け、
前記接合層が、フレームから貫通孔を通して補助フレームに至るまで連続していることを特徴とするフレーム付き膜電極接合体。
A membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode layers;
A resin frame having an opening for disposing the membrane electrode assembly;
Provided with an auxiliary frame made of resin arranged on one side of the frame and facing the inner peripheral edge of the opening,
The electrolyte membrane of the membrane electrode assembly has an outer peripheral extension part extending to the outer peripheral side from the electrode layer, and a through hole in the thickness direction formed in the outer peripheral extension part,
Between the inner peripheral edge of the frame and the auxiliary frame, a bonding layer made of an adhesive or a pressure-sensitive adhesive is provided with an outer peripheral extension having a through hole interposed ,
The membrane electrode assembly with a frame , wherein the bonding layer is continuous from the frame to the auxiliary frame through a through hole .
電解質膜の外周延出部における貫通孔が、複数箇所に設けてあり、
夫々に対を成す突起部同士のうちから選択された突起部同士において、一方の突起部の高さを他方の突起部の高さよりも小さくすると共に、この選択された突起部同士の間に、各貫通孔のうちのいずれかの貫通孔を配置したことを特徴とする請求項2又は3に記載のフレーム付き膜電極接合体。 The inner peripheral edge of the frame and the protrusions of the auxiliary frame are provided at a plurality of locations,
Through holes in the outer peripheral extension of the electrolyte membrane are provided at multiple locations,
In the projections selected from among the projections that form a pair, the height of one projection is made smaller than the height of the other projection, and between the selected projections, The membrane electrode assembly with a frame according to claim 2 or 3, wherein any one of the through holes is arranged.
補助フレームが、内周縁部における偏倚側とは反対側の面に配置してあることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のフレーム付き膜電極接合体。 The frame includes an opening in which the membrane electrode assembly is disposed, a step portion formed along the periphery of the opening and corresponding to the thickness of the frame, and an inner periphery of the opening of the frame, It is a state biased to one side of the frame by the stepped portion,
The membrane electrode assembly with a frame according to any one of claims 1 to 6, wherein the auxiliary frame is disposed on a surface of the inner peripheral edge opposite to the biased side.
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