JP6223307B2

JP6223307B2 - Fuel cell

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Publication number: JP6223307B2
Application number: JP2014182885A
Authority: JP
Inventors: 優小田; 吉田　弘道; 弘道吉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: JP2016058206A

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel battery cell.

近年、自動車の新たな動力源等として、水素及び酸素を電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電気化学反応により直接的に電気を得るため、発電効率が高い点で好ましいとされている。また燃料電池は、発電時に水しか生成しないため、環境への影響の点からも好ましいとされている。 In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen are attracting attention as new power sources for automobiles. A fuel cell is preferred in terms of high power generation efficiency because it directly obtains electricity through an electrochemical reaction. In addition, since the fuel cell generates only water during power generation, it is considered preferable from the viewpoint of environmental impact.

例えば固体高分子型燃料電池は、数十個から数百個の燃料電池セルが積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）と、これらの電極に挟持された電解質膜とで構成され、両電極は、電解質膜に接する触媒層と、触媒層に接するガス拡散層と、を備える（例えば、特許文献１参照）。セパレータには、その一方の面に燃料ガス流路が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路が形成される。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has a stack structure in which several tens to several hundreds of fuel cells are stacked. Each fuel cell is configured by sandwiching a membrane electrode structure (MEA) between a pair of separators. The membrane electrode structure is composed of an anode electrode (cathode) and a cathode electrode (anode), and an electrolyte membrane sandwiched between these electrodes. Both electrodes are a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and a gas in contact with the catalyst layer. A diffusion layer (see, for example, Patent Document 1). The separator has a fuel gas channel formed on one surface thereof and an oxidant gas channel formed on the other surface thereof.

上記のような構成を備える固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路を介して、アノード電極に燃料ガスとしての水素を供給する。また、酸化剤ガス流路を介して、カソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給する。すると、アノード電極に供給された水素が触媒層上でプロトン化され、生成したプロトンが電解質膜を介してカソード電極へと移動する。このとき、プロトンとともに生成した電子が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。 In the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, hydrogen as fuel gas is supplied to the anode electrode via the fuel gas flow path. In addition, air as an oxidant gas is supplied to the cathode electrode via the oxidant gas flow path. Then, the hydrogen supplied to the anode electrode is protonated on the catalyst layer, and the generated proton moves to the cathode electrode through the electrolyte membrane. At this time, electrons generated together with protons are taken out to an external circuit and used as electric energy.

特開２００２−２７０２０２号公報JP 2002-270202 A

ところで、燃料電池セルにおける、電解質膜、触媒層、ガス拡散層及びガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）の平面視における寸法（範囲）は異なるのが一般的である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、燃料電池セルにおける、電解質膜、触媒層、ガス拡散層及びガス流路の平面視における寸法（範囲）の大きさ（広さ）の関係を例示する。図２Ａは、従来の燃料電池セル１Ｐの断面図である。また、図２Ｂは、従来の燃料電池セル１Ｐの断面図であり、従来の燃料電池セルの作用について説明するための図である。燃料電池セル１Ｐは、膜電極構造体５０Ｐと、それを挟持する一対のセパレータ４１Ｐ，４２Ｐとシール部材６１Ｐ，６２Ｐと、を備える。また、膜電極構造体５０Ｐは、アノード電極５１Ｐと、カソード電極５２Ｐと、電解質膜１０Ｐと、を積層することで構成される。 By the way, the dimensions (ranges) in plan view of the electrolyte membrane, the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the gas flow path (fuel gas flow path and oxidant gas flow path) in the fuel cell are generally different. 2A and 2B exemplify the relationship of the size (range) of the electrolyte membrane, the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the gas flow path in the plan view of the fuel cell. FIG. 2A is a cross-sectional view of a conventional fuel cell 1P. FIG. 2B is a cross-sectional view of a conventional fuel cell 1P, and is a view for explaining the operation of the conventional fuel cell. The fuel cell 1P includes a membrane electrode structure 50P, a pair of separators 41P and 42P that sandwich the membrane electrode structure 50P, and seal members 61P and 62P. The membrane electrode structure 50P is configured by stacking an anode electrode 51P, a cathode electrode 52P, and an electrolyte membrane 10P.

例えば、触媒層２１Ｐ，２２Ｐの範囲を図２Ａに示すようにガス流路４１３Ｐ，４２３Ｐの範囲と同等にすれば、燃料電池の発電効率を下げることなく触媒の使用量を抑えることができる。また、膜電極構造体５０Ｐの構造を維持するために電解質膜１０Ｐ及びガス拡散層３１Ｐ，３２Ｐの範囲を、図２Ａに示すように触媒層２１Ｐ，２２Ｐの範囲よりも大きくするのが通常である。 For example, if the range of the catalyst layers 21P and 22P is equal to the range of the gas flow paths 413P and 423P as shown in FIG. 2A, the amount of catalyst used can be suppressed without reducing the power generation efficiency of the fuel cell. In order to maintain the structure of the membrane electrode structure 50P, the range of the electrolyte membrane 10P and the gas diffusion layers 31P and 32P is usually larger than the range of the catalyst layers 21P and 22P as shown in FIG. 2A. .

しかしながら、燃料電池セル１Ｐの構造を図２Ａのように構成した場合、ガス拡散層３１Ｐ，３２Ｐの端部付近には、触媒層２１Ｐ，２２Ｐを介さずに直接電解質膜１０Ｐに接触する部分が存在する。このような構造の燃料電池セル１Ｐでは、図２Ｂに示すように、ガス拡散層３１Ｐ，３２Ｐの端部付近に拡散した燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）は、電気化学反応に供されることなく電解質膜１０Ｐの端部内に拡散して混合される。電解質膜１０Ｐにおいて混合されたガスは、電極触媒により反応し、過酸化水素が生成する。更に、過酸化水素からはヒドロキシルラジカルが生成される。ヒドロキシルラジカルは、電解質膜１０Ｐを化学的に劣化させることで燃料電池セル１Ｐの寿命を短くする。 However, when the structure of the fuel cell 1P is configured as shown in FIG. 2A, there is a portion that directly contacts the electrolyte membrane 10P without the catalyst layers 21P and 22P in the vicinity of the end portions of the gas diffusion layers 31P and 32P. To do. In the fuel cell 1P having such a structure, as shown in FIG. 2B, the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (oxygen) diffused near the end portions of the gas diffusion layers 31P and 32P are subjected to an electrochemical reaction. Without being diffused, it is diffused and mixed in the end portion of the electrolyte membrane 10P. The gas mixed in the electrolyte membrane 10P reacts with the electrode catalyst to generate hydrogen peroxide. Furthermore, hydroxyl radicals are generated from hydrogen peroxide. Hydroxyl radicals shorten the life of the fuel cell 1P by chemically degrading the electrolyte membrane 10P.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜の端部でヒドロキシラジカルが生成することによる電解質膜の化学的な劣化を抑えることができる燃料電池セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress chemical deterioration of the electrolyte membrane due to the generation of hydroxy radicals at the end of the electrolyte membrane. To do.

上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜（例えば、後述の電解質膜１０）と、前記電解質膜の両面に積層される一対の触媒層（例えば、後述のアノード触媒層２１及びカソード触媒層２２）と、前記一対の触媒層の外側面に積層される一対のガス拡散層（例えば、後述のアノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２）と、前記一対のガス拡散層の外側面に積層される一対のセパレータ（例えば、後述の第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２）と、を備え、前記一対のセパレータは、ガス拡散層側に向かって突出して延設され且つ先端が前記ガス拡散層を押圧する複数の凸部（例えば、後述の第１凸部４１１及び第２凸部４２１）を有し、前記凸部は、前記セパレータの端部近傍に延設される端部凸部（例えば、後述の第１端部凸部４１１ａ及び第２端部凸部４２１ａ）と、前記端部凸部よりも前記セパレータの平面方向の内側に延設される内側凸部（例えば、後述の第１内側凸部４１１ｂ及び第２内側凸部４２１ｂ）と、を含み、前記端部凸部は、前記内側凸部よりも、先端から前記電解質膜までの積層方向における距離が短い燃料電池セル（例えば、後述の燃料電池セル１）を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane (for example, an electrolyte membrane 10 described later) and a pair of catalyst layers (for example, an anode catalyst layer 21 and a cathode catalyst described later) laminated on both surfaces of the electrolyte membrane. Layer 22), a pair of gas diffusion layers (for example, an anode gas diffusion layer 31 and a cathode gas diffusion layer 32 described later) stacked on the outer surfaces of the pair of catalyst layers, and the outer surfaces of the pair of gas diffusion layers A pair of separators (for example, a first separator 41 and a second separator 42, which will be described later), the pair of separators projecting toward the gas diffusion layer and extending at the tip of the gas It has a plurality of convex portions (for example, a first convex portion 411 and a second convex portion 421 described later) that press the diffusion layer, and the convex portion is an end convex portion that extends in the vicinity of the end portion of the separator. (For example, see below A first end convex portion 411a and a second end convex portion 421a), and an inner convex portion (for example, a first inner convex portion 411b described later) extending inward in the planar direction of the separator from the end convex portion. And a second inner convex portion 421b), and the end convex portion has a shorter distance in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane than the inner convex portion (for example, a fuel cell described later) Cell 1) is provided.

本発明では、端部凸部の先端から電解質膜までの積層方向における距離を、内側凸部の先端から電解質膜までの積層方向における距離よりも短くした。
これにより、ガス拡散層が平面方向の内側よりも端部近傍において、セパレータにより強く積層方向から挟持されるので、ガス拡散層の端部近傍から電解質膜内へガスが拡散し難くなる。本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜に燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）が拡散し難くなることで、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのを抑えることができる。従って、本発明に係る燃料電池セルは電解質膜の化学的な劣化を抑えることができる。 In the present invention, the distance in the stacking direction from the tip of the end projection to the electrolyte membrane is shorter than the distance in the stacking direction from the tip of the inner projection to the electrolyte membrane.
As a result, the gas diffusion layer is more strongly sandwiched by the separator from the stacking direction near the end than the inner side in the plane direction, so that it is difficult for gas to diffuse from the vicinity of the end of the gas diffusion layer into the electrolyte membrane. The fuel cell according to the present invention makes it difficult for the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (oxygen) to diffuse into the electrolyte membrane, thereby suppressing the generation of hydroxyl radicals due to the reaction of these gases. it can. Therefore, the fuel battery cell according to the present invention can suppress chemical deterioration of the electrolyte membrane.

また、前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の積層される前記触媒層よりも平面寸法が大きく、前記端部凸部は、前記触媒層よりも平面方向の外側において前記ガス拡散層を押圧することを特徴とする。 The gas diffusion layer has a larger planar dimension than the catalyst layer on which the gas diffusion layer is laminated, and the end convex portion presses the gas diffusion layer on the outer side in the planar direction than the catalyst layer. It is characterized by that.

ガス拡散層の端部付近において、触媒層を介さずに電解質膜に接触する部分が存在する場合、電解質膜にガスが拡散しやすくなる。この発明では、このような燃料電池セルにおいて、ガス拡散層の電解質膜に直接接触する部分を端部凸部で押圧することで、電解質膜の化学的な劣化を抑える効果をより顕著に発揮できる。 In the vicinity of the end portion of the gas diffusion layer, when there is a portion that contacts the electrolyte membrane without passing through the catalyst layer, the gas easily diffuses into the electrolyte membrane. In this invention, in such a fuel cell, the effect of suppressing the chemical deterioration of the electrolyte membrane can be more significantly exhibited by pressing the portion of the gas diffusion layer that directly contacts the electrolyte membrane with the end convex portion. .

また、前記端部凸部は、延設方向全体に亘って前記内側凸部よりも先端から前記電解質膜までの積層方向における距離が短いことが好ましい。 Further, it is preferable that the end convex portion has a shorter distance in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane than the inner convex portion over the entire extending direction.

これにより、端部凸部の延設方向全体に亘って電解質膜の端部に燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）が拡散し難くなることから、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのをより強く抑えることができる。従って、この発明に係る燃料電池セルは電解質膜の化学的な劣化をより強く抑えることができる。 This makes it difficult for the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (oxygen) to diffuse to the end of the electrolyte membrane over the entire extending direction of the end convex portion, so that these gases react to react with hydroxyl. Generation of radicals can be suppressed more strongly. Therefore, the fuel battery cell according to the present invention can suppress the chemical deterioration of the electrolyte membrane more strongly.

本発明によれば、電解質膜の端部でヒドロキシラジカルが生成することによる電解質膜の化学的な劣化を抑えることができる燃料電池セルを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel battery cell which can suppress the chemical degradation of the electrolyte membrane by a hydroxyl radical producing | generating in the edge part of an electrolyte membrane can be provided.

本発明の一実施形態に係る燃料電池セルの断面図である。It is sectional drawing of the fuel battery cell which concerns on one Embodiment of this invention. 上記実施形態に係る燃料電池セルの断面図であり、上記実施形態に係る燃料電池セルの作用について説明するための図である。It is sectional drawing of the fuel battery cell which concerns on the said embodiment, and is a figure for demonstrating the effect | action of the fuel battery cell which concerns on the said embodiment. 従来の燃料電池セルの断面図である。It is sectional drawing of the conventional fuel cell. 従来の燃料電池セルの断面図であり、従来の燃料電池セルの作用について説明するための図である。It is sectional drawing of the conventional fuel cell, and is a figure for demonstrating the effect | action of the conventional fuel cell.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル１の断面図である。この燃料電池セル１は、例えば電極面を水平にして鉛直方向に複数積層されることで、燃料電池スタックを構成する。積層された燃料電池セル１には、所定の締め付け荷重が付与されるため、燃料電池セル１の電極面には所定の面圧が付与される。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1A and 1B are cross-sectional views of a fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention. For example, a plurality of fuel cells 1 are stacked in the vertical direction with the electrode surface horizontal, thereby constituting a fuel cell stack. Since a predetermined tightening load is applied to the stacked fuel cells 1, a predetermined surface pressure is applied to the electrode surface of the fuel cells 1.

燃料電池セル１は、電解質膜１０と、一対のアノード触媒層２１及びカソード触媒層２２と、一対のアノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２と、一対の第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２と、内側シール部材６１と、外側シール部材６２と、を備える。 The fuel cell 1 includes an electrolyte membrane 10, a pair of anode catalyst layers 21 and cathode catalyst layers 22, a pair of anode gas diffusion layers 31 and cathode gas diffusion layers 32, and a pair of first separators 41 and second separators 42. And an inner seal member 61 and an outer seal member 62.

電解質膜１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸から構成される固体高分子電解質膜である。この固体高分子電解質膜としては、市販品を用いることができ、例えばデュポン社製の「ナフィオン」を用いることができる。 The electrolyte membrane 10 is a solid polymer electrolyte membrane composed of, for example, perfluorosulfonic acid. As this solid polymer electrolyte membrane, a commercially available product can be used. For example, “Nafion” manufactured by DuPont can be used.

一対のアノード触媒層２１及びカソード触媒層２２は、電解質膜１０の両面に積層される。アノード触媒層２１及びカソード触媒層２２は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子からなる触媒粒子と、上述の高分子電解質と、を含む。アノード触媒層２１及びカソード触媒層２２は、電解質膜１０よりも平面寸法が小さい。アノード触媒層２１及びカソード触媒層２２同士は、平面寸法が同じである。 The pair of anode catalyst layer 21 and cathode catalyst layer 22 are laminated on both surfaces of the electrolyte membrane 10. The anode catalyst layer 21 and the cathode catalyst layer 22 include catalyst particles made of porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface, and the above-described polymer electrolyte. The anode catalyst layer 21 and the cathode catalyst layer 22 have smaller planar dimensions than the electrolyte membrane 10. The anode catalyst layer 21 and the cathode catalyst layer 22 have the same planar dimensions.

一対のアノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２は、それぞれアノード触媒層２１及びカソード触媒層２２の外側面に積層される。アノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２は、カーボンペーパやカーボンクロス等からなる。
アノードガス拡散層３１は、電解質膜１０よりも平面寸法が小さく、アノード触媒層２１よりも平面寸法が大きい。
カソードガス拡散層３２は、電解質膜１０と平面寸法が同じであり、アノード触媒層２１よりも平面寸法が大きい。 The pair of anode gas diffusion layer 31 and cathode gas diffusion layer 32 are laminated on the outer surfaces of the anode catalyst layer 21 and the cathode catalyst layer 22, respectively. The anode gas diffusion layer 31 and the cathode gas diffusion layer 32 are made of carbon paper, carbon cloth, or the like.
The anode gas diffusion layer 31 has a smaller planar dimension than the electrolyte membrane 10 and a larger planar dimension than the anode catalyst layer 21.
The cathode gas diffusion layer 32 has the same planar dimension as the electrolyte membrane 10 and has a larger planar dimension than the anode catalyst layer 21.

このように、アノード触媒層２１及びアノードガス拡散層３１は、積層されることでアノード電極５１を構成し、カソード触媒層２２及びカソードガス拡散層３２は、積層されることでカソード電極５２を構成する。これら両電極はそれぞれ、アノード触媒層２１及びカソード触媒層２２が電解質膜１０に接し且つアノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２を外側に向くように、電解質膜１０に積層される。そして、電解質膜１０、アノード電極５１及びカソード電極５２は、積層されることで膜電極構造体（ＭＥＡ）５０を構成する。 As described above, the anode catalyst layer 21 and the anode gas diffusion layer 31 are laminated to constitute the anode electrode 51, and the cathode catalyst layer 22 and the cathode gas diffusion layer 32 are laminated to constitute the cathode electrode 52. To do. These electrodes are laminated on the electrolyte membrane 10 such that the anode catalyst layer 21 and the cathode catalyst layer 22 are in contact with the electrolyte membrane 10 and face the anode gas diffusion layer 31 and the cathode gas diffusion layer 32 outward. The electrolyte membrane 10, the anode electrode 51, and the cathode electrode 52 constitute a membrane electrode structure (MEA) 50 by being laminated.

一対の第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２は、それぞれアノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２の外側面に積層され、膜電極構造体５０を挟持する。第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２は、金属製の薄板をプレス成形により波板状に成形した金属セパレータである。 The pair of first separator 41 and second separator 42 are stacked on the outer surfaces of the anode gas diffusion layer 31 and the cathode gas diffusion layer 32, respectively, and sandwich the membrane electrode structure 50 therebetween. The first separator 41 and the second separator 42 are metal separators obtained by forming a metal thin plate into a corrugated plate by press molding.

第１セパレータ４１は、アノードガス拡散層３１側に向かって突出して延設され且つ先端がアノードガス拡散層３１を押圧する複数の第１凸部４１１を有する。第１凸部４１１の先端は、平面であり且つ燃料電池スタックの締め付け荷重によってアノードガス拡散層３１を押圧する。
第１凸部４１１は、第１セパレータ４１の端部近傍に延設される第１端部凸部４１１ａと、第１端部凸部４１１ａよりも第１セパレータ４１の平面方向の内側に延設される第１内側凸部４１１ｂと、を含む。第１端部凸部４１１ａは、アノードガス拡散層３１の端部を押圧する。より具体的には、第１端部凸部４１１ａは、アノード触媒層２１よりも平面方向の外側においてアノードガス拡散層３１を押圧する。 The first separator 41 has a plurality of first protrusions 411 that protrude and extend toward the anode gas diffusion layer 31 side and whose tips press the anode gas diffusion layer 31. The tip of the first convex portion 411 is a flat surface and presses the anode gas diffusion layer 31 by the tightening load of the fuel cell stack.
The first convex portion 411 extends in the vicinity of the end portion of the first separator 41, and extends inward in the planar direction of the first separator 41 from the first end convex portion 411a. First inner convex portion 411b. The first end protrusion 411 a presses the end of the anode gas diffusion layer 31. More specifically, the first end convex portion 411 a presses the anode gas diffusion layer 31 outside the anode catalyst layer 21 in the planar direction.

第１端部凸部４１１ａは、第１内側凸部４１１ｂよりも、先端から電解質膜１０までの積層方向における距離が短い。つまり、第１端部凸部４１１ａの先端と電解質膜１０との積層方向の距離Ｄ_１１は、第１内側凸部４１１ｂの先端と電解質膜１０との積層方向の距離Ｄ_１２よりも短い。なお、第１端部凸部４１１ａは、延設方向全体に亘って第１内側凸部４１１ｂよりも先端から電解質膜１０までの積層方向における距離が短い。 The first end convex portion 411a is shorter in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane 10 than the first inner convex portion 411b. In other words, the distance _{D 11} of the stacking direction between the tip and the electrolyte membrane 10 of the first end convex portion 411a is shorter than the stacking direction of the distance _{D 12} between the electrolyte membrane 10 and the distal end of the first inner protrusion 411b. In addition, the distance in the lamination direction from the front-end | tip to the electrolyte membrane 10 is shorter than the 1st inner side convex part 411b of the 1st edge part convex part 411a over the whole extending direction.

また、第１セパレータ４１は、隣り合う第１端部凸部４１１ａと第１内側凸部４１１ｂとの間又は隣り合う第１内側凸部４１１ｂ同士の間に形成される第１凹部４１２を有する。アノードガス拡散層３１と第１セパレータ４１との間には、第１凹部４１２によって燃料ガス流路４１３が形成される。燃料ガス流路４１３には、燃料電池の燃料ガスとしての水素が流通する。 Moreover, the 1st separator 41 has the 1st recessed part 412 formed between the adjacent 1st edge part convex part 411a and the 1st inner side convex part 411b, or between the adjacent 1st inner side convex parts 411b. Between the anode gas diffusion layer 31 and the first separator 41, a fuel gas channel 413 is formed by the first recess 412. Hydrogen as a fuel gas of the fuel cell flows through the fuel gas flow path 413.

第２セパレータ４２は、カソードガス拡散層３２側に向かって突出して延設され且つ先端がカソードガス拡散層３２を押圧する複数の第２凸部４２１を有する。第２凸部４２１の先端は、平面であり且つ燃料電池スタックの締め付け荷重によってカソードガス拡散層３２を押圧する。
第２凸部４２１は、第２セパレータ４２の端部近傍に延設される第２端部凸部４２１ａと、第２端部凸部４２１ａよりも第２セパレータ４２の平面方向の内側に延設される第２内側凸部４２１ｂと、を含む。第２端部凸部４２１ａは、膜電極構造体５０を介して第１端部凸部４１１ａと対向し、カソードガス拡散層３２の端部を押圧する。より具体的には、第２端部凸部４２１ａは、カソード触媒層２２よりも平面方向の外側においてカソードガス拡散層３２を押圧する。第２内側凸部４２１ｂは、膜電極構造体５０を介して第１内側凸部４１１ｂと対向する。 The second separator 42 has a plurality of second protrusions 421 that protrude and extend toward the cathode gas diffusion layer 32 side and whose tips press the cathode gas diffusion layer 32. The tip of the second convex portion 421 is a flat surface and presses the cathode gas diffusion layer 32 by the tightening load of the fuel cell stack.
The second convex portion 421 extends in the planar direction of the second separator 42 from the second end convex portion 421a extending in the vicinity of the end portion of the second separator 42, and the second end convex portion 421a. Second inner convex portion 421b. The second end convex portion 421a faces the first end convex portion 411a via the membrane electrode structure 50 and presses the end portion of the cathode gas diffusion layer 32. More specifically, the second end convex portion 421a presses the cathode gas diffusion layer 32 outside the cathode catalyst layer 22 in the planar direction. The second inner convex portion 421b faces the first inner convex portion 411b with the membrane electrode structure 50 interposed therebetween.

第２端部凸部４２１ａは、第２内側凸部４２１ｂよりも、先端から電解質膜１０までの積層方向における距離が短い。つまり、第２端部凸部４２１ａの先端と電解質膜１０との積層方向の距離Ｄ_１１は、第２内側凸部４２１ｂの先端と電解質膜１０との積層方向の距離Ｄ_１２よりも短い。なお、第２端部凸部４２１ａは、延設方向全体に亘って第２内側凸部４２１ｂよりも先端から電解質膜１０までの積層方向における距離が短い。 The second end convex portion 421a has a shorter distance in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane 10 than the second inner convex portion 421b. In other words, the distance _{D 11} of the stacking direction between the tip and the electrolyte membrane 10 of the second end protrusion 421a is shorter than the stacking direction of the distance _{D 12} between the tip and the electrolyte membrane 10 of the second inner protrusion 421b. The second end convex portion 421a has a shorter distance in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane 10 than the second inner convex portion 421b over the entire extending direction.

また、第２セパレータ４２は、隣り合う第２端部凸部４２１ａと第２内側凸部４２１ｂとの間又は隣り合う第２内側凸部４２１ｂ同士の間に形成される第２凹部４２２を有する。カソードガス拡散層３２と第２セパレータ４２との間には、第２凹部４２２によって酸化剤ガス流路４２３が形成される。酸化剤ガス流路４２３には、燃料電池の酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が流通する。 Further, the second separator 42 has a second recess 422 formed between the adjacent second end protrusions 421a and the second inner protrusions 421b or between the adjacent second inner protrusions 421b. Between the cathode gas diffusion layer 32 and the second separator 42, an oxidant gas flow path 423 is formed by the second recess 422. Air containing oxygen as an oxidant gas for the fuel cell flows through the oxidant gas flow path 423.

内側シール部材６１は、燃料電池セル１の外周に配置されて、第１セパレータ４１及び電解質膜１０によって挟持される。内側シール部材６１は、第１セパレータ４１と電解質膜１０との間の空間を密封する。 The inner seal member 61 is disposed on the outer periphery of the fuel cell 1 and is sandwiched between the first separator 41 and the electrolyte membrane 10. The inner seal member 61 seals the space between the first separator 41 and the electrolyte membrane 10.

外側シール部材６２は、燃料電池セル１の外周に配置されて、第２セパレータ４２及び電解質膜１０によって挟持される。外側シール部材６２は、内側シール部材６１よりも外側に配置される。外側シール部材６２は、その積層方向の厚さによって第１セパレータ４１と第２セパレータ４２との間の距離を規定する。外側シール部材６２及び内側シール部材６１は、第２セパレータ４２と電解質膜１０との間の空間を密封する。 The outer seal member 62 is disposed on the outer periphery of the fuel cell 1 and is sandwiched between the second separator 42 and the electrolyte membrane 10. The outer seal member 62 is disposed outside the inner seal member 61. The outer seal member 62 defines the distance between the first separator 41 and the second separator 42 by the thickness in the stacking direction. The outer seal member 62 and the inner seal member 61 seal the space between the second separator 42 and the electrolyte membrane 10.

以上の構成を備える本実施形態の燃料電池セル１は、例えば、次のようにして製造される。
まず、膜電極構造体５０を作製する。具体的には、アノード触媒又はカソード触媒と、溶媒との混合物に、バインダー溶液を投入し、所定のインク粘度になるまで混合することで、アノード電極インク及びカソード電極インクを調製する。
次いで、調製した各電極インクを、ＰＥＴフィルムからなるＰＥＴシート上にスクリーン印刷により塗工することで、アノード電極シート及びカソード電極シートを作製する。
次いで、両電極シートで電解質膜１０（例えばデュポン社製の「ナフィオン」）を挟持してホットプレスする。その後、ＰＥＴシートを剥がすことにより、電解質膜１０の一方の面にアノード触媒層２１が形成され、他方の面にカソード触媒層２２が形成される。 The fuel cell 1 of the present embodiment having the above configuration is manufactured, for example, as follows.
First, the membrane electrode structure 50 is produced. Specifically, an anode electrode ink and a cathode electrode ink are prepared by charging a binder solution into a mixture of an anode catalyst or a cathode catalyst and a solvent and mixing the mixture until a predetermined ink viscosity is obtained.
Next, the prepared electrode inks are coated on a PET sheet made of a PET film by screen printing to produce an anode electrode sheet and a cathode electrode sheet.
Next, the electrolyte membrane 10 (for example, “Nafion” manufactured by DuPont) is sandwiched between the electrode sheets and hot-pressed. Thereafter, the PET sheet is peeled off, whereby the anode catalyst layer 21 is formed on one surface of the electrolyte membrane 10 and the cathode catalyst layer 22 is formed on the other surface.

次いで、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を均一に分散させたスラリーを調製する。調製したスラリーを、カーボンペーパに塗布して乾燥することにより、カーボンペーパと下地層とからなるアノードガス拡散層３１及びカソードガス拡散層３２を作製する。カソードガス拡散層３２の平面寸法は、電解質膜１０と同一とする。アノードガス拡散層３１の平面寸法は、アノード触媒層２１よりも大きく、カソードガス拡散層３２及び電解質膜１０よりも小さくする。 Next, a slurry in which carbon black and PTFE (polytetrafluoroethylene) particles are uniformly dispersed is prepared. The prepared slurry is applied to carbon paper and dried to produce an anode gas diffusion layer 31 and a cathode gas diffusion layer 32 made of carbon paper and a base layer. The planar dimension of the cathode gas diffusion layer 32 is the same as that of the electrolyte membrane 10. The planar dimension of the anode gas diffusion layer 31 is larger than that of the anode catalyst layer 21 and smaller than that of the cathode gas diffusion layer 32 and the electrolyte membrane 10.

次いで、アノード触媒層２１が形成された電解質膜１０の一方側に、アノードガス拡散層３１を配置するとともに、カソード触媒層２２が形成された電解質膜１０の他方側に、カソードガス拡散層３２を配置し、この状態で、ホットプレスする。これにより、膜電極構造体５０が作製される。 Next, an anode gas diffusion layer 31 is disposed on one side of the electrolyte membrane 10 on which the anode catalyst layer 21 is formed, and a cathode gas diffusion layer 32 is disposed on the other side of the electrolyte membrane 10 on which the cathode catalyst layer 22 is formed. Place and hot press in this state. Thereby, the membrane electrode structure 50 is produced.

膜電極構造体５０とは別に、第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２を作製する。第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２の作製においては、金属製の薄板を、プレス成形により波板状に成形する。具体的には、金属製の薄板を、従来公知のプレス成形装置により絞り成形することで、凹凸を有する波板状に成形する。金属製の薄板としては、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板等が用いられる。 Separately from the membrane electrode structure 50, the first separator 41 and the second separator 42 are produced. In the production of the first separator 41 and the second separator 42, a metal thin plate is formed into a corrugated plate by press molding. Specifically, a metal thin plate is formed by drawing with a conventionally known press forming apparatus to form a corrugated plate having irregularities. As the metal thin plate, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or the like is used.

次いで、得られた膜電極構造体５０を、第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２で挟持し、燃料電池セル１とする。第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２で膜電極構造体５０を挟持する際には、外周に内側シール部材６１及び外側シール部材６２が配置される。
以上により、本実施形態に係る燃料電池セル１が作製され、これをスタックすることで燃料電池スタックが作製される。 Next, the obtained membrane electrode structure 50 is sandwiched between the first separator 41 and the second separator 42 to obtain the fuel cell 1. When the membrane electrode structure 50 is sandwiched between the first separator 41 and the second separator 42, the inner seal member 61 and the outer seal member 62 are disposed on the outer periphery.
Thus, the fuel cell 1 according to the present embodiment is manufactured, and the fuel cell stack is manufactured by stacking the fuel cells.

以上の構成を備える本実施形態に係る燃料電池セル１を備える燃料電池スタックは、以下のように動作する。
まず、図示しない酸化剤ガス供給装置により、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する。すると、供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２３を流通する。これにより、カソード電極５２に酸化剤ガスが供給される。なお、酸化剤ガスは、カソードガス拡散層３２の端部と外側シール部材６２との間に形成される空間にも若干流通する。
一方、図示しない燃料ガス供給装置により、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する。すると、供給された燃料ガスは、燃料ガス流路４１３を流通する。これにより、アノード電極５１に燃料ガスが供給される。なお、燃料ガスは、アノードガス拡散層３１の端部と内側シール部材６１との間に形成される空間にも若干流通する。 The fuel cell stack including the fuel cell 1 according to the present embodiment having the above configuration operates as follows.
First, an oxidant gas is supplied to the fuel cell stack by an oxidant gas supply device (not shown). Then, the supplied oxidant gas flows through the oxidant gas flow path 423. As a result, the oxidant gas is supplied to the cathode electrode 52. Note that the oxidant gas also slightly flows through the space formed between the end portion of the cathode gas diffusion layer 32 and the outer seal member 62.
On the other hand, fuel gas is supplied to the fuel cell stack by a fuel gas supply device (not shown). Then, the supplied fuel gas flows through the fuel gas channel 413. As a result, the fuel gas is supplied to the anode electrode 51. Note that the fuel gas also slightly flows through the space formed between the end of the anode gas diffusion layer 31 and the inner seal member 61.

ところで、距離Ｄ_１１（距離Ｄ_２１）が、距離Ｄ_１２（距離Ｄ_２２）よりも短いことから、アノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）は平面方向の内側よりも端部近傍において強く積層方向から挟持される。図１Ｂに模式的に示すように、積層方向から強く挟持されるアノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）の端部近傍には、アノードガス拡散層３１の内側及びアノードガス拡散層３１の端部と内側シール部材６１との間に形成される空間からガスが拡散し難くなる。また、同様に、カソードガス拡散層３２の端部近傍には、カソードガス拡散層３２の内側及びカソードガス拡散層３２の端部と外側シール部材６２との間に形成される空間からガスが拡散し難くなる。 By the way, since the distance D ₁₁ (distance D ₂₁ ) is shorter than the distance D ₁₂ (distance D ₂₂ ), the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) is stronger in the vicinity of the end portion than in the plane direction. It is sandwiched from the stacking direction. As schematically shown in FIG. 1B, in the vicinity of the end of the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) strongly sandwiched from the stacking direction, the inside of the anode gas diffusion layer 31 and the anode gas diffusion layer 31 Gas hardly diffuses from the space formed between the end portion and the inner seal member 61. Similarly, gas diffuses in the vicinity of the end of the cathode gas diffusion layer 32 from the inside of the cathode gas diffusion layer 32 and from the space formed between the end of the cathode gas diffusion layer 32 and the outer seal member 62. It becomes difficult to do.

膜電極構造体５０では、カソード電極５２に供給された酸化剤ガスと、アノード電極５１に供給された燃料ガスとの電気化学反応が進行することで、発電が行われる。発電の際には、電気化学反応に伴って、カソード側で水が生成し、アノード側へは電解質膜１０を介して移動する。この反応生成水は、各ガス流路を流通して排出される。 In the membrane electrode structure 50, power generation is performed by an electrochemical reaction between the oxidant gas supplied to the cathode electrode 52 and the fuel gas supplied to the anode electrode 51. During power generation, water is generated on the cathode side along with the electrochemical reaction, and moves to the anode side via the electrolyte membrane 10. This reaction product water is discharged through each gas flow path.

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、第１端部凸部４１１ａ（第２端部凸部４２１ａ）の先端から電解質膜１０までの積層方向における距離Ｄ_１１（距離Ｄ_２１）を、第１内側凸部４１１ｂ（第２内側凸部４２１ｂ）の先端から電解質膜１０までの積層方向における距離Ｄ_１２（距離Ｄ_２２）よりも短くした。
これにより、アノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）が平面方向の内側よりも端部近傍において、第１セパレータ４１（第２セパレータ４２）により強く積層方向から挟持されるので、アノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）の端部近傍から電解質膜１０内へガスが拡散し難くなる（図１Ｂ）。燃料電池セル１は、電解質膜１０に燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）が拡散し難くなることで、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのを抑えることができる。従って、燃料電池セル１は電解質膜１０の化学的な劣化を抑えることができる。 According to this embodiment, the following effects are produced.
In the present embodiment, the distance D ₁₁ (distance D ₂₁ ) in the stacking direction from the tip of the first end convex portion 411a (second end convex portion 421a) to the electrolyte membrane 10 is defined as the first inner convex portion 411b (first). The distance D ₁₂ (distance D ₂₂ ) in the stacking direction from the tip of the 2 inner convex part 421b) to the electrolyte membrane 10 was made shorter.
As a result, the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) is more strongly sandwiched by the first separator 41 (second separator 42) in the vicinity of the end than the inner side in the plane direction. Gas hardly diffuses into the electrolyte membrane 10 from the vicinity of the end of the layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) (FIG. 1B). In the fuel cell 1, it is difficult for the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (oxygen) to diffuse into the electrolyte membrane 10, so that the generation of hydroxyl radicals due to the reaction of these gases can be suppressed. Therefore, the fuel battery cell 1 can suppress chemical deterioration of the electrolyte membrane 10.

また、本実施形態では、アノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）が、アノード触媒層２１（カソード触媒層２２）よりも平面寸法が大きいものとした。また、第１端部凸部４１１ａ（第２端部凸部４２１ａ）が、アノード触媒層２１（カソード触媒層２２）よりも平面方向の外側においてアノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）を押圧するものとした。
アノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）の端部付近において、アノード触媒層２１（カソード触媒層２２）を介さずに電解質膜１０に接触する部分が存在する場合、電解質膜１０にガスが拡散しやすくなる。本実施形態では、このような燃料電池セル１において、アノードガス拡散層３１（カソードガス拡散層３２）の電解質膜１０に直接接触する部分を第１端部凸部４１１ａ（第２端部凸部４２１ａ）で押圧することで、電解質膜１０の化学的な劣化を抑える効果をより顕著に発揮できる。 In the present embodiment, the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) has a larger planar dimension than the anode catalyst layer 21 (cathode catalyst layer 22). Further, the first end convex portion 411a (second end convex portion 421a) forms the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) outside the anode catalyst layer 21 (cathode catalyst layer 22) in the planar direction. It was supposed to be pressed.
When there is a portion in contact with the electrolyte membrane 10 without passing through the anode catalyst layer 21 (cathode catalyst layer 22) in the vicinity of the end of the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32), gas flows into the electrolyte membrane 10. It becomes easy to diffuse. In the present embodiment, in such a fuel cell 1, the portion of the anode gas diffusion layer 31 (cathode gas diffusion layer 32) that directly contacts the electrolyte membrane 10 is defined as the first end protrusion 411a (second end protrusion). By pressing at 421a), the effect of suppressing the chemical deterioration of the electrolyte membrane 10 can be exhibited more remarkably.

また、本実施形態では、第１端部凸部４１１ａ（第２端部凸部４２１ａ）の延設方向全体に亘って、距離Ｄ_１１（距離Ｄ_２１）を距離Ｄ_１２（距離Ｄ_２２）よりも短くした。
これにより、第１端部凸部４１１ａ（第２端部凸部４２１ａ）の延設方向全体に亘って電解質膜１０の端部に燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）が拡散し難くなることから、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのをより強く抑えることができる。従って、燃料電池セル１は電解質膜１０の化学的な劣化をより強く抑えることができる。 In the present embodiment, the distance D ₁₁ (distance D ₂₁ ) is changed from the distance D ₁₂ (distance D ₂₂ ) over the entire extending direction of the first end convex portion 411a (second end convex portion 421a). Also shortened.
Thereby, the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (oxygen) are difficult to diffuse in the end portion of the electrolyte membrane 10 over the entire extending direction of the first end convex portion 411a (second end convex portion 421a). Therefore, the generation of hydroxyl radicals due to the reaction of these gases can be further suppressed. Therefore, the fuel battery cell 1 can suppress the chemical deterioration of the electrolyte membrane 10 more strongly.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態においては、第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２が金属セパレータであるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２を、カーボンからなる薄板を切削加工することで製造されるカーボンセパレータとしてもよい。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the said embodiment, although the 1st separator 41 and the 2nd separator 42 shall be a metal separator, this invention is not limited to this. For example, the first separator 41 and the second separator 42 may be carbon separators manufactured by cutting a thin plate made of carbon.

１…燃料電池セル
１０…電解質膜
２１…アノード触媒層（触媒層）
２２…カソード触媒層（触媒層）
３１…アノードガス拡散層（拡散層）
３２…カソードガス拡散層（拡散層）
４１…第１セパレータ（セパレータ）
４１１…第１凸部（凸部）
４１１ａ…第１端部凸部（端部凸部）
４１１ｂ…第１内側凸部（内側凸部）
４２…第２セパレータ（セパレータ）
４２１…第２凸部（凸部）
４２１ａ…第２端部凸部（端部凸部）
４２１ｂ…第２内側凸部（内側凸部） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 10 ... Electrolyte membrane 21 ... Anode catalyst layer (catalyst layer)
22 ... Cathode catalyst layer (catalyst layer)
31 ... Anode gas diffusion layer (diffusion layer)
32 ... Cathode gas diffusion layer (diffusion layer)
41 ... 1st separator (separator)
411 ... 1st convex part (convex part)
411a ... 1st edge part convex part (edge part convex part)
411b ... 1st inside convex part (inside convex part)
42. Second separator (separator)
421 ... 2nd convex part (convex part)
421a ... 2nd edge part convex part (edge part convex part)
421b ... 2nd inner side convex part (inner side convex part)

Claims

An electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers laminated on both sides of the electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers laminated on the outer surfaces of the pair of catalyst layers;
A pair of separators laminated on the outer surfaces of the pair of gas diffusion layers;
An inner seal member sandwiched between the separator and the electrolyte membrane on the outer side in the planar direction of the gas diffusion layer on one side of the pair of gas diffusion layers,
Each of the pair of separators has a plurality of projecting portions that protrude and extend toward the gas diffusion layer side, and whose tips press the gas diffusion layer.
Each of the plurality of convex portions includes an end convex portion extending in the vicinity of the end portion of the separator, and an inner convex portion extending inward in the planar direction of the separator from the end convex portion. Including
Each of the pair of gas diffusion layers has a larger planar dimension than the catalyst layer on which the gas diffusion layers are laminated,
The gas diffusion layer on one side of the pair of gas diffusion layers has a smaller plane dimension than the gas diffusion layer on the other side,
The other side of the gas diffusion layer is the electrolyte membrane and the plane size is the same,
The end convex part presses the gas diffusion layer on the outer side in the plane direction than the catalyst layer,
The end convex part that presses the gas diffusion layer on the other side is provided to face the end convex part that presses the gas diffusion layer on the one side and the inner seal member via the electrolyte membrane. And
Each of the end protrusions has a shorter distance in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane than the inner protrusion,
A fuel battery cell in which gas diffusibility at an end portion of the pair of gas diffusion layers is smaller than gas diffusivity inside.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein each of the end projections has a shorter distance in the stacking direction from the tip to the electrolyte membrane than the inner projection over the entire extending direction which is a planar direction of the catalyst layer. .