JP6681537B2 - Joined body, fuel cell using the joined body, and method for disassembling the same - Google Patents

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Description

本発明は、接合体とその接合体を用いた燃料電池、ならびに、その分解方法に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a joined body, a fuel cell using the joined body, and a decomposition method thereof.

固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱を同時に発生させる装置である。   A solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a device that simultaneously generates electric power and heat by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen with an oxidant gas containing oxygen such as air. .

このPEFCの基本的構成要素を図6の断面図に示す。まず、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜15、およびその電解質膜15の表面に形成されたアノード電極22、カソード電極23がある。これらの電極は、電解質膜15の表面に形成されるアノード触媒層16、カソード触媒層17、およびその触媒層の外側に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層18(GDL)を有する。   The basic components of this PEFC are shown in the sectional view of FIG. First, there are an electrolyte membrane 15 that selectively transports hydrogen ions, and an anode electrode 22 and a cathode electrode 23 formed on the surface of the electrolyte membrane 15. These electrodes are an anode catalyst layer 16 formed on the surface of the electrolyte membrane 15, a cathode catalyst layer 17, and a gas diffusion layer 18 (GDL) arranged outside the catalyst layer and having both gas permeability and electronic conductivity. Have.

このように電解質膜15とアノード電極22とカソード電極23とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜と電極との接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ。以下、MEA10と呼ぶ。   Such an assembly in which the electrolyte membrane 15, the anode electrode 22, and the cathode electrode 23 are integrally joined and assembled is referred to as an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly). Hereinafter, it is referred to as MEA 10.

また、そのMEA10の外縁には枠体9が嵌められて接合体14を構成しており、その外縁部分の断面図を図7に示す。MEA10の外縁には枠体9が嵌められている。MEA10の両側には、MEA10を機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するMEA10を互いに電気的に直列に接続するための、導電性のセパレータ11が配置される。そのセパレータ11のMEA10と接触する部分には、それぞれの電極に反応ガスを供給し、また生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路溝13が形成されている。このように、MEA10が一対のセパレータ11により挟み込まれた構造体を、単電池モジュール、単に、セル2という。   Further, the frame body 9 is fitted to the outer edge of the MEA 10 to form the joined body 14, and a sectional view of the outer edge portion is shown in FIG. 7. A frame body 9 is fitted to the outer edge of the MEA 10. On both sides of the MEA 10, electrically conductive separators 11 for mechanically sandwiching and fixing the MEA 10 and electrically connecting adjacent MEAs 10 in series are arranged. Gas passage grooves 13 for supplying a reaction gas to each electrode and carrying away generated water and surplus gas are formed in a portion of the separator 11 that is in contact with the MEA 10. The structure in which the MEA 10 is sandwiched between the pair of separators 11 as described above is referred to as a unit cell module, simply the cell 2.

また、反応ガスをガス流路溝13に供給するために、セパレータ11の縁部にマニホールド孔を設け、反応ガスを分配する。さらに、ガス流路溝13に供給される反応ガス等が外部へリークしたり、混合したりしないように、MEA10における電極形成部、すなわち発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータ11の間には封止部材20(ガスケット)が配置される。   Further, in order to supply the reaction gas to the gas flow channel 13, a manifold hole is provided at the edge of the separator 11 to distribute the reaction gas. Further, between the pair of separators 11 so as to surround the electrode forming portion of the MEA 10, that is, the outer periphery of the power generation region, so that the reaction gas or the like supplied to the gas flow channel 13 does not leak or mix to the outside. A sealing member 20 (gasket) is arranged in the.

ここで、MEA10の電極には白金などの貴金属が使用されている。このMEA10を廃棄する際には、枠体9部分からMEA10を取出し、電極に含まれている貴金属を回収して再利用に供すべきである。   Here, a precious metal such as platinum is used for the electrodes of the MEA 10. When the MEA 10 is discarded, the MEA 10 should be taken out from the frame 9 portion and the noble metal contained in the electrode should be recovered and reused.

図8(a)〜図8(b)の断面図で、従来の電解質の接合体14の分解方法を示す。図8(a)に示すように、枠体9を2つ以上に分割するための破線状の分離部24を形成し、そこを起点として枠体9を分離する(図8(b))ことでMEA10を取出す方法がある(例えば、特許文献1)。   FIG. 8A and FIG. 8B are cross-sectional views showing a conventional method for disassembling the electrolyte bonded body 14. As shown in FIG. 8A, a broken line-shaped separating portion 24 for dividing the frame body 9 into two or more parts is formed, and the frame body 9 is separated from the starting point (FIG. 8B). There is a method of taking out the MEA 10 in (for example, Patent Document 1).

図9は、特許文献1に記載された従来の電解質接合体の構成を示す図である。図9において、MEA101の外縁部に枠体105が接合されている。枠体105には、単セルを積層して締結する際のボルト孔102、ガスを供給するためのマニホールド孔103、ガスを封止するためのガスケット104が配置されており、内周部には切取線106を形成している。このような構成によって、電解質接合体を分解する際に、切取線106を利用して枠体105の内周部を分離し、MEA101を取出すものである。   FIG. 9: is a figure which shows the structure of the conventional electrolyte joined body described in patent document 1. As shown in FIG. In FIG. 9, the frame 105 is joined to the outer edge of the MEA 101. The frame body 105 is provided with a bolt hole 102 for stacking and fastening single cells, a manifold hole 103 for supplying gas, and a gasket 104 for sealing gas, and the inner peripheral portion is provided with A cut line 106 is formed. With such a configuration, when disassembling the electrolyte assembly, the inner peripheral portion of the frame body 105 is separated by using the cutoff line 106, and the MEA 101 is taken out.

国際公開第2009−144940号International Publication No. 2009-144940

しかしながら、従来の構成では、枠体9の分離部24(図8)がMEA10の電解質膜に接触しているため、枠体9を分離する際に膜の破れなどでMEA10を破損させてしまう恐れがある。従って、従来の構成ではMEA10を破損させずに分解しづらいという課題を有している。   However, in the conventional configuration, since the separation portion 24 (FIG. 8) of the frame body 9 is in contact with the electrolyte membrane of the MEA 10, there is a risk that the MEA 10 may be damaged due to a membrane breakage or the like when the frame body 9 is separated. There is. Therefore, the conventional configuration has a problem that it is difficult to disassemble the MEA 10 without damaging it.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、MEAを破損させずに回収して再利用することを可能とした接合体とその接合体を用いた燃料電池、ならびに、その分解方法
を、提供することを目的とする。
MEANS TO SOLVE THE PROBLEM This invention solves the said conventional subject, Comprising: It can collect | recover MEA without damaging it and can reuse it, the fuel cell using the same, and its disassembly method. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、電解質膜と、電解質膜を保持する枠体と、を含む接合体であって、枠体は、電解質膜の一方面を保持する第1枠体と、他方面を保持する第2枠体とからなり、さらに、第1枠体と第2枠体との間を接続する接合部を有し、接合部は、突起部を有する接合体を用いる。   In order to achieve the above object, a joined body including an electrolyte membrane and a frame body that holds the electrolyte membrane, wherein the frame body has a first frame body that holds one surface of the electrolyte membrane and the other surface. A second frame body to be held is provided, and a joint part for connecting the first frame body and the second frame body is further provided, and the joint part is a joint body having a protrusion.

また、上記接合体と、その接合体を挟む一対のセパレータと、を有する単電池モジュールを複数積層して組み立てられる燃料電池を用いる。   Further, a fuel cell is used which is assembled by stacking a plurality of unit cell modules each including the above-mentioned joined body and a pair of separators sandwiching the joined body.

さらに、電解質膜の周縁部が、第2枠体と、第2枠体よりも外径寸法が小さい第1枠体とで挟み込まれており、第2枠体と前記第1枠体との合わせ部分が接合部で覆われており、接合部に突起が設けられた接合体の分解方法であって、第2枠体における突起の突出方向側の周縁部を、反るように変形させて、突起を前記第2枠体から剥がす第1ステップと、突起により、接合部と第1枠体とを、第2枠体から引き剥がす第2ステップと、を有する、接合体の分解方法を用いる。   Further, the peripheral portion of the electrolyte membrane is sandwiched between the second frame body and the first frame body having an outer diameter smaller than that of the second frame body, and the second frame body and the first frame body are combined with each other. A method for disassembling a joined body in which a portion is covered with a joined portion and a protrusion is provided on the joined portion, wherein a peripheral edge portion of the second frame body on the protrusion direction side is deformed to warp, A method for disassembling a joined body is used, which includes a first step of peeling the protrusion from the second frame body and a second step of peeling the joint portion and the first frame body from the second frame body by the protrusion.

以上のように、本発明の電解質接合体によれば、使用済みの固体高分子電解質型燃料電池ならびに工程不良品などから、貴金属を含むMEAを破損させることなく回収し、再利用することができる。   As described above, according to the electrolyte assembly of the present invention, MEA containing a noble metal can be recovered and reused from a used solid polymer electrolyte fuel cell, a defective process product, or the like without damage. .

実施の形態の燃料電池スタックの分解斜視図Exploded perspective view of the fuel cell stack of the embodiment (a)実施の形態の燃料電池における電解質膜と電極と枠との接合体の平面図、(b)実施の形態の電解質膜と電極と枠との接合体の部分断面図、(c)〜(d)実施の形態の電解質膜と電極と枠との接合体の平面図(A) A plan view of a joined body of an electrolyte membrane, an electrode and a frame in a fuel cell of an embodiment, (b) A partial sectional view of a joined body of an electrolyte membrane, an electrode and a frame of the embodiment, (c) to. (D) A plan view of a joined body of the electrolyte membrane, the electrode and the frame according to the embodiment. (a)本発明の実施の形態1における枠体角部の平面図、(b)〜(c)本発明の実施の形態1における枠体角部の断面図(A) A plan view of a frame corner portion according to Embodiment 1 of the present invention, and (b) to (c) a cross-sectional view of the frame corner portion according to Embodiment 1 of the present invention. (a)〜(b)本発明の実施の形態1における電解質膜と電極と枠との接合体の分解方法の概略図(A)-(b) Schematic of the disassembly method of the joined body of the electrolyte membrane, the electrode, and the frame in Embodiment 1 of the present invention. (a)〜(b)本発明の実施の形態1における枠体形状の平面図(A)-(b) The top view of the frame shape in Embodiment 1 of this invention. 従来の固体高分子電解質型燃料電池の構成要素の断面図Cross-sectional view of components of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell 従来の燃料電池の単セルの断面図Cross-sectional view of a single cell of a conventional fuel cell (a)〜(b)従来の電解質接合体の分解方法を示す図(A)-(b) The figure which shows the disassembly method of the conventional electrolyte joined body. 特許文献1における従来の電解質膜と電極と枠との接合体の平面図Plan view of a conventional assembly of an electrolyte membrane, an electrode and a frame in Patent Document 1

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
燃料電池は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力、熱、および水を同時に発生させるものである。
(Embodiment 1)
The fuel cell is, for example, a solid polyelectrolyte fuel cell (PEFC), in which a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air are electrochemically reacted to generate electric power and heat. , And water at the same time.

図1は、実施の形態の高分子電解質形燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池スタック1の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図1に示すように、燃料電池スタック1は、単電池モジュールであるセル2を複数個直列に積層させて構成されている。なお、セル2の両端の最外層には集電板3、端板4、バネ5が取り付けられ、セル2は両端から、ボルト孔6を挿通される締結ボルト7とナット8とで締結されて構成されている。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a structure of a fuel cell stack 1 which is an example of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) according to an embodiment by disassembling a part thereof. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of cells 2 which are single cell modules in series. A current collector plate 3, an end plate 4, and a spring 5 are attached to the outermost layers of both ends of the cell 2, and the cell 2 is fastened from both ends with fastening bolts 7 and nuts 8 which are inserted through bolt holes 6. It is configured.

<集電板3>
集電板3は、セル2の積層体の外側に配置された板である。集電板3は、発電された電気を効率よく集電できるように、銅板に金メッキが施したものを使用する。なお、集電板3には、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、アルミ等を使用しても良い。また、集電板3の表面処理は、スズメッキ、ニッケルメッキ等を施してもよい。
<Current collector 3>
The collector plate 3 is a plate arranged outside the stacked body of the cells 2. As the current collector plate 3, a copper plate plated with gold is used so that the generated electricity can be efficiently collected. The current collector plate 3 may be made of a metal material having good electric conductivity, such as iron, stainless steel, or aluminum. The surface treatment of the current collector plate 3 may be tin plating, nickel plating, or the like.

集電板3の外側には、電気を絶縁するために、高い電気絶縁性を有する端板4を配置している。ここで、端板4は、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて、射出成形で製作したものを使用する。なお、端板材料は、熱可塑性樹脂だけでなく、熱硬化性材料を使うこともできる。端板4と一体となっている配管は、セル2の積層体のマニホールドにガスケットを介して押し当てられて構成しているが、端板と配管を分離することもできる。端板4の内側には、セル2に荷重を加えるバネ5をMEA10の投影部分、つまり、セル2の内側に集中的に配置され、締結ボルト7とナット8で組立時に調整されて締結されている。   On the outer side of the current collector plate 3, an end plate 4 having high electrical insulation is arranged to insulate electricity. Here, the end plate 4 is manufactured by injection molding using polyphenylene sulfide resin. The end plate material may be not only a thermoplastic resin but also a thermosetting material. The pipe integrated with the end plate 4 is configured to be pressed against the manifold of the laminated body of the cells 2 via a gasket, but the end plate and the pipe can be separated. Inside the end plate 4, springs 5 for applying a load to the cell 2 are concentratedly arranged on the projected portion of the MEA 10, that is, inside the cell 2, and are adjusted and fastened by a fastening bolt 7 and a nut 8 during assembly. There is.

<セル2>
セル2は、周縁部に枠体9を有するMEA10を、一対の導電性のアノード側セパレータ11Aとカソード側セパレータ11Cとで挟み、さらに、外側の冷却水セパレータ11Wで構成されている。
<Cell 2>
The cell 2 is composed of an MEA 10 having a frame 9 on the peripheral edge thereof, sandwiched between a pair of conductive anode-side separators 11A and cathode-side separators 11C, and further constituted by an outer cooling water separator 11W.

アノード側セパレータ11A及びカソード側セパレータ11Cは、平板状であって、MEA10と接触する側の面、すなわち内面は、MEA10の形状に応じるようにしている。アノード側セパレータ11A、カソード側セパレータ11Cには各種のマニホールド孔12、ボルト孔6がアノード側セパレータ11A,カソード側セパレータ11Cを厚み方向に貫通している。また、アノード側セパレータ11A,カソード側セパレータ11Cの内面には、燃料ガスの流路溝13A、酸化剤ガスの流路溝13Cが形成され、アノード側セパレータ11A,カソード側セパレータ11Cの背面には冷却水流路溝13Wが形成されている。アノード側セパレータ11A,カソード側セパレータ11Cは、ガス不透過性の導電性材料であればよく、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削したもの、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したもの、金属を成形したものが用いられる。   Each of the anode-side separator 11A and the cathode-side separator 11C has a flat plate shape, and the surface on the side in contact with the MEA 10, that is, the inner surface is adapted to the shape of the MEA 10. Various manifold holes 12 and bolt holes 6 penetrate through the anode-side separator 11A and the cathode-side separator 11C in the thickness direction. Further, a fuel gas flow channel 13A and an oxidant gas flow channel 13C are formed on the inner surfaces of the anode-side separator 11A and the cathode-side separator 11C, and cooling is performed on the back surfaces of the anode-side separator 11A and the cathode-side separator 11C. The water channel groove 13W is formed. The anode-side separator 11A and the cathode-side separator 11C may be any gas-impermeable conductive material, for example, a resin-impregnated carbon material cut into a predetermined shape, or a mixture of carbon powder and a resin material, A molded metal is used.

<枠体9>
MEA10の周縁部に配置された枠体9に、燃料ガス及び酸化剤ガス、冷却水が流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔12が穿たれている。セル2が積層された状態では、これら貫通孔が積層されて結合し、燃料ガス・酸化剤ガス・冷却水のマニホールド孔12を形成する。枠体9は、耐薬品性、耐熱性、絶縁性に優れたポリフェニレンエーテル樹脂を射出成形したものを使用するが、ポリフェニレンサルファイドやポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂やエポキシなどの熱硬化性樹脂を使用することもできる。
<Frame 9>
A pair of through holes, that is, a manifold hole 12, through which the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water flow are formed in the frame body 9 arranged in the peripheral portion of the MEA 10. When the cells 2 are stacked, these through holes are stacked and combined to form the manifold hole 12 of the fuel gas / oxidant gas / cooling water. The frame 9 is made by injection-molding a polyphenylene ether resin having excellent chemical resistance, heat resistance, and insulation properties, but a thermoplastic resin such as polyphenylene sulfide, polypropylene, or polyethylene, or a thermosetting resin such as epoxy is used. It can also be used.

図示しないが、ガスケットが存在する。ガスケットは、弾性体で、アノード側セパレータ11A,カソード側セパレータ11Cと一体形成される。押圧によってMEA10本体の枠体9の形状に応じて変形し、MEA10本体部の外周、及びマニホールド孔12の外周がシールされる。これによって、隣接するセル2の間、各種のマニホールド孔12のセル2間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の漏出が防止される。   Although not shown, a gasket is present. The gasket is an elastic body and is integrally formed with the anode side separator 11A and the cathode side separator 11C. When pressed, the MEA 10 is deformed according to the shape of the frame 9 of the main body, and the outer circumference of the MEA 10 main body and the outer circumference of the manifold hole 12 are sealed. This prevents the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water from leaking between the adjacent cells 2 and the connecting portions between the cells 2 of the various manifold holes 12.

図2(a)は、接合体14の平面図で、図2(b)は、図2(a)の部分断面図である。接合体14の周縁部には、枠体9(第1枠体9A、第2枠体9B)がある。   2A is a plan view of the bonded body 14, and FIG. 2B is a partial cross-sectional view of FIG. 2A. The frame 9 (first frame 9 </ b> A, second frame 9 </ b> B) is provided on the peripheral portion of the joined body 14.

接合体14の中央部分は、電解質膜15をガス拡散層18で覆っている。接合体14の端部は、電解質膜15を第2枠体9Bと第1枠体9Aで挟んでいる。第2枠体9Bには、ボルト孔6およびマニホールド孔12が配置されている。   The central portion of the bonded body 14 covers the electrolyte membrane 15 with the gas diffusion layer 18. At the end of the bonded body 14, the electrolyte membrane 15 is sandwiched between the second frame 9B and the first frame 9A. Bolt holes 6 and manifold holes 12 are arranged in the second frame body 9B.

第2枠体9Bと第1枠体9Aとは、電解質膜15とガス拡散層18とアノード電極22とカソード電極23との積層体(図6)が露出しないように設けられている。   The second frame 9B and the first frame 9A are provided so that the laminated body (FIG. 6) of the electrolyte membrane 15, the gas diffusion layer 18, the anode electrode 22 and the cathode electrode 23 is not exposed.

図2(b)の部分断面図は、MEA10の断面図(図2(a)の点線部分の断面図)を示す。MEA10は水素イオンを選択的に輸送する電解質膜15のアノード面側に、白金ルテニウム合金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層16を形成し、カソード面側には、白金触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層17を形成している。これら触媒層の表面に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層18(GDL)を配置して構成されている。   The partial sectional view of FIG. 2B shows a sectional view of the MEA 10 (a sectional view of a dotted line portion of FIG. 2A). The MEA 10 forms an anode catalyst layer 16 containing carbon powder carrying a platinum ruthenium alloy catalyst as a main component on the anode surface side of an electrolyte membrane 15 that selectively transports hydrogen ions, and the platinum catalyst on the cathode surface side. A cathode catalyst layer 17 whose main component is supported carbon powder is formed. On the surfaces of these catalyst layers, a gas diffusion layer 18 (GDL) having both gas permeability of a fuel gas or an oxidant gas and electronic conductivity is arranged.

電解質膜15はプロトン伝導性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜(デュポン社製ナフィオン膜)が使用される。   As the electrolyte membrane 15, a solid polymer material having proton conductivity, for example, a perfluorosulfonic acid membrane (Dafon Nafion membrane) is used.

<接合体14の詳細>
図2(a)の接合体14の平面図と、図2(c)、図2(d)の断面図とで、本実施の形態における接合体14の詳細を示す。
<Details of bonded body 14>
Details of the bonded body 14 in the present embodiment are shown by a plan view of the bonded body 14 of FIG. 2A and cross-sectional views of FIG. 2C and FIG. 2D.

図2(c)、図2(d)は、接合体14の端部(周辺部分)、D−D部分(図2(a))の断面図である。図2(c)は、接合体14の組み立て前、図2(d)は接合体14の組み立て後である。   2C and 2D are cross-sectional views of the end portion (peripheral portion) and DD portion (FIG. 2A) of the joined body 14. FIG. 2C is before assembly of the joined body 14, and FIG. 2D is after assembly of the joined body 14.

A領域は、両面にアノード触媒層16、カソード触媒層17(図2(a))を形成された電解質膜15の外周領域である。   The area A is an outer peripheral area of the electrolyte membrane 15 having the anode catalyst layer 16 and the cathode catalyst layer 17 (FIG. 2A) formed on both surfaces.

B領域は、ガス拡散層18(図2(a))の外周サイズである。   Area B is the outer peripheral size of the gas diffusion layer 18 (FIG. 2A).

C領域は、枠体9(第1枠体9A、第2枠体9B)の内周サイズである。   The area C is the inner peripheral size of the frame body 9 (first frame body 9A, second frame body 9B).

F領域は、発電電極面積である。発電する部分である。   The F region is the power generation electrode area. This is the part that generates electricity.

B領域のガス拡散層18の外周サイズについては、C領域の枠体9(第1枠体9A、第2枠体9B)の内周サイズと同等が望ましいが、大きくても構わない。   The outer peripheral size of the gas diffusion layer 18 in the B region is preferably equal to the inner peripheral size of the frame 9 (first frame 9A, second frame 9B) in the C region, but may be larger.

図2(c)、図2(d)に示すように、接合体14は、両面にアノード触媒層16、カソード触媒層17(図2)を有する電解質膜15の周縁部を、樹脂で形成された額縁状の2枚の第1枠体9A、第2枠体9Bで挟み込む。その状態で図2(c)に示すように、内側の第1枠体9Aと外側の第2枠体9Bの境界部分Gの上を覆うように、全周にわたり樹脂成形等で接合部19(枠体の接合部)を形成する。このことで第1枠体9Aと第2枠体9Bを接合する。接合部19は、第1枠体9A、第2枠体9Bと同一の熱可塑性樹脂(例えばポリフェニレンエーテル樹脂)を射出成形したものが望ましいが、熱硬化性の接着剤などを使用することもできる。   As shown in FIGS. 2C and 2D, in the bonded body 14, the peripheral portion of the electrolyte membrane 15 having the anode catalyst layer 16 and the cathode catalyst layer 17 (FIG. 2) on both sides is formed of resin. It is sandwiched between two frame-shaped first frame bodies 9A and second frame bodies 9B. In that state, as shown in FIG. 2C, the joint portion 19 (by resin molding or the like is formed over the entire circumference so as to cover the boundary G between the inner first frame 9A and the outer second frame 9B. The joint part of the frame body) is formed. This joins the first frame body 9A and the second frame body 9B. The joining portion 19 is preferably injection-molded with the same thermoplastic resin (for example, polyphenylene ether resin) as the first frame 9A and the second frame 9B, but a thermosetting adhesive or the like can also be used. .

なお、図2(c)、図2(d)からわかるように、第2枠体9Bと外側の第1枠体9Aとは形状が異なる。第2枠体9Bが主体で、その凹部に電解質膜15の端部を置き、その上から第1枠体9Aを置く。その後、上記のように、接合部19で第1枠体9Aと第2枠体9Bとを固定する。この場合、第1枠体9A、第2枠体9Bは、四角形状で、中央に開口があり、額縁形状である。四角形でなく多角形でもよい。また、多角形の角部はR形状でもよい。   As can be seen from FIGS. 2C and 2D, the second frame 9B and the outer first frame 9A have different shapes. The second frame 9B is mainly used, the end of the electrolyte membrane 15 is placed in the recess, and the first frame 9A is placed from above. Then, as described above, the first frame body 9A and the second frame body 9B are fixed at the joint portion 19. In this case, the first frame body 9A and the second frame body 9B are quadrangular, have an opening in the center, and have a frame shape. It may be polygonal instead of quadrangular. Also, the corners of the polygon may be R-shaped.

このように、第1枠体9Aと第2枠体9Bとで電解質膜15を挟み込み、ガス拡散層18を接合する。このことにより電解質膜15およびガス拡散層18に直接成形圧をかけることなく接合体14を形成することが可能となる。このため、MEA10の耐久性をより長く保つことができる。   In this way, the electrolyte membrane 15 is sandwiched between the first frame 9A and the second frame 9B, and the gas diffusion layer 18 is joined. This allows the bonded body 14 to be formed without directly applying a molding pressure to the electrolyte membrane 15 and the gas diffusion layer 18. Therefore, the durability of the MEA 10 can be kept longer.

また、図2(c)に示すとおり、接合体14は、電解質膜15を挟んだ第1枠体9A、第2枠体9Bの内周の厚みの大きい箇所Eの上にガス拡散層18が乗り上げるように構成される。   In addition, as shown in FIG. 2C, in the joined body 14, the gas diffusion layer 18 is provided on the portion E having a large thickness on the inner circumference of the first frame body 9A and the second frame body 9B sandwiching the electrolyte membrane 15. Configured to ride up.

図2(d)に示すとおり、接合体14をセパレータ11で挟み込んだ状態においては、第1枠体9A、第2枠体9Bに乗り上げたガス拡散層18がセパレータ11との空間を埋めるように構成している。   As shown in FIG. 2D, when the joined body 14 is sandwiched by the separators 11, the gas diffusion layer 18 riding on the first frame 9A and the second frame 9B fills the space with the separator 11. I am configuring.

このように第1枠体9A、第2枠体9Bの内側にガス拡散層18の一部外周を乗り上げることで、電解質膜15が露出し直接ガスと接触して劣化することを防ぎ、耐久を向上させることができる。   In this way, by riding a part of the outer periphery of the gas diffusion layer 18 inside the first frame 9A and the second frame 9B, it is possible to prevent the electrolyte membrane 15 from being exposed and directly contacting with gas to be deteriorated, and to improve durability. Can be improved.

さらに、第1枠体9A、第2枠体9Bにガス拡散層18を乗り上げることで、発電電極の領域Fの外へガスが回り込むことも防止している。   Further, the gas diffusion layer 18 is mounted on the first frame 9A and the second frame 9B to prevent the gas from flowing out of the region F of the power generation electrode.

<接合部19の角部>
ここで、本実施の形態における接合部19の角部について、図3(a)の平面図および図3(b)の断面図を用いて説明する。図3(a)は、枠体9の接合部19の角部の形状を示した平面図である。図3(b)は、図3(a)における第1枠体9Aと第2枠体9Bとの接合部19の角部の構成を示したH−H断面図である。
<Corner of the joint 19>
Here, the corner portion of the joint portion 19 in the present embodiment will be described with reference to the plan view of FIG. 3A and the sectional view of FIG. FIG. 3A is a plan view showing the shape of the corner portion of the joint portion 19 of the frame body 9. FIG. 3B is an HH cross-sectional view showing the configuration of the corner portion of the joint portion 19 between the first frame body 9A and the second frame body 9B in FIG. 3A.

接合体14を形成するにあたり、枠体の接合部19は第1枠体9Aと第2枠体9Bの境界部分G(図2(c))を接合すればよい。   When forming the joined body 14, the joining portion 19 of the frame body may join the boundary portion G (FIG. 2C) between the first frame body 9A and the second frame body 9B.

接合部19は、第1枠体9Aの上面と第2枠体9Bの上面との両方に渡って形成されている。なお、第1枠体9Aの上面と第2枠体9Bの上面とは同一平面を形成するのが好ましい。   The joint portion 19 is formed over both the upper surface of the first frame 9A and the upper surface of the second frame 9B. It is preferable that the upper surface of the first frame body 9A and the upper surface of the second frame body 9B form the same plane.

接合部19、第1枠体9Aはシート状である。第2枠体9Bは、厚みの薄い部分を有し、その部分に第1枠体9Aを有する。   The joint portion 19 and the first frame 9A are sheet-shaped. The second frame body 9B has a thin portion, and has the first frame body 9A in that portion.

ただし、図3(a)および図3(b)に示すように、外周方向に突出した突起21を形成しておくことにより、接合体14を分解する際に、突起21を起点として容易に分解することが可能となる。突起21は、図3(b)のように、接合体14の上下面でなく、水平方向へ飛び出している。水平方向は、第1枠体9Aの上面と第2枠体9Bの上面とに平行方向である。   However, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), by forming the protrusion 21 protruding in the outer peripheral direction, when the bonded body 14 is disassembled, the protrusion 21 is easily disassembled from the starting point. It becomes possible to do. As shown in FIG. 3 (b), the protrusions 21 project horizontally rather than on the upper and lower surfaces of the joined body 14. The horizontal direction is parallel to the upper surface of the first frame body 9A and the upper surface of the second frame body 9B.

このことで、以下の図4(a)、図4(b)で説明するが、接合体14の分解方法時に、突起21が第2枠体9Bから剥がれやすくなる。分解時以外は、突起21が、上下へ大きく飛び出していないので、他の物体との間で問題が生じない。   As a result, as will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b) below, the protrusion 21 is likely to be peeled off from the second frame 9B during the disassembling method of the bonded body 14. The protrusions 21 do not largely protrude vertically except when disassembled, so that no problem occurs with other objects.

また、突起21は、2辺のうちの1辺の延長線上に形成してもよい。延長方向でなくともよい。その場合、第2枠体9Bの外周部と境界部分Gとの間隔が比較的広い方向に突出しているほうが、分解しやすくなる。よって、突起21の方向は、図3(a)では、下側でなく左側である。   Further, the protrusion 21 may be formed on the extension line of one of the two sides. It does not have to be the extension direction. In that case, it is easier to disassemble if the gap between the outer peripheral portion of the second frame 9B and the boundary portion G projects in a relatively wide direction. Therefore, the direction of the protrusion 21 is not the lower side but the left side in FIG.

また、第2枠体9Bと第1枠体9Aと接合部19との溶着面は、同一平面上になるように、第2枠体9Bには段差を設けておくことが望ましい。これは、接合部19を成形する際に、一方に成形圧力が集中して溶着力が均等にならない等の不具合を防止するためである。   Further, it is desirable to provide a step on the second frame body 9B so that the welding surfaces of the second frame body 9B, the first frame body 9A, and the joint portion 19 are on the same plane. This is to prevent problems such as the forming pressure being concentrated on one side and the welding force not being uniform when the joint portion 19 is formed.

また、第1枠体9Aの厚みは、接合部19および突起21の厚みより薄くしておくことで、分解しやすくすることができる。   Further, by making the thickness of the first frame 9A thinner than the thickness of the joint portion 19 and the protrusion 21, it is possible to facilitate disassembly.

また、図3(c)に突起21の別の変形例を示す。図3(c)の突起21の厚みは、接合部19の厚みより、厚い。このことで、以下の図4(a)、図4(b)で説明するが、接合体14の分解方法時に、突起21が第2枠体9Bから剥がれやすくなる。   Further, another modification of the protrusion 21 is shown in FIG. The thickness of the protrusion 21 in FIG. 3C is thicker than the thickness of the joint portion 19. As a result, as will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b) below, the protrusion 21 is likely to be peeled off from the second frame 9B during the disassembling method of the bonded body 14.

厚みとは、第1枠体9Aの上面と第2枠体9Bの上面とに垂直方向の寸法である。   The thickness is a dimension in the direction perpendicular to the upper surface of the first frame body 9A and the upper surface of the second frame body 9B.

<分解方法>
図4(a)〜図4(b)の断面図で、本実施の形態の接合体14の分解方法を示す。まず、図4(a)に示すように第1枠体9Aの接合部19の突起21に対して、第2枠体9Bを反らせることで、突起21を起点として剥離する。この時、前述したように、突起21は、第2枠体9Bの周縁部と境界部分との間隔が比較的広い方向に突出しているほうが、掴みしろが大きく反らせやすいという利点がある。
<Disassembly method>
FIG. 4A and FIG. 4B are cross-sectional views showing a method for disassembling the bonded body 14 of the present embodiment. First, as shown in FIG. 4A, the second frame body 9B is warped with respect to the protrusion 21 of the joint portion 19 of the first frame body 9A, whereby the protrusion 21 is separated from the starting point. At this time, as described above, when the protrusion 21 projects in a direction in which the distance between the peripheral portion of the second frame body 9B and the boundary portion is relatively wide, there is an advantage that the gripping margin is easily bent.

また、接合部19、突起21の厚みが、第2枠体9Bより薄い場合、第2枠体9Bを反らせたときに、接合したまま反ってしまう可能性がある。従って、少なくとも、接合部19と突起21のどちらか1方の厚みは第2枠体9Bの厚みより比較的厚いほうが望ましい。   In addition, when the thickness of the joint portion 19 and the protrusion 21 is thinner than that of the second frame body 9B, when the second frame body 9B is warped, the joint portion 19 and the protrusion 21 may warp while being bonded. Therefore, it is desirable that at least one of the joint portion 19 and the protrusion 21 is relatively thicker than the thickness of the second frame body 9B.

突起21を起点として第2枠体9Bを剥離していくことで、図4(b)に示すように、突起21と第2枠体9Bとの境界面が分離される。この時、接合部19の接着力が強い場合には、接合部19が途中で破断してしまう場合もある。このような時でも、破断した接合部19を起点に剥離を再開することや、接合体14の別の対角の角部に同じく突起21を形成しておけば、別側から剥離をすることも可能である。   By separating the second frame 9B from the projection 21 as a starting point, the boundary surface between the projection 21 and the second frame 9B is separated as shown in FIG. 4B. At this time, when the adhesive strength of the joint portion 19 is strong, the joint portion 19 may be broken in the middle. Even in such a case, peeling can be restarted from the broken joint portion 19 as a starting point, and if a protrusion 21 is also formed at another diagonal corner portion of the joined body 14, peeling can be performed from the other side. Is also possible.

<変形例>
図5(a)、図5(b)の平面図で、剥離を容易にするための枠体の接合部19の形状を示す。
<Modification>
FIG. 5A and FIG. 5B are plan views showing the shape of the joint portion 19 of the frame body for facilitating peeling.

図5(a)では、接合部19の対向する2つのコーナー部分に、突起21を設けている。両方から突起部21を剥離できる。   In FIG. 5A, the protrusions 21 are provided at two opposing corner portions of the joint 19. The protrusion 21 can be peeled off from both.

さらに、前述のように、接合部19の接着力が強く破断してしまうことを防止するため、図5(b)では、角部以外の直線部分の接合部19の溶着幅寸法を、角部の接合部19より細くしている。   Further, as described above, in order to prevent the adhesive force of the joint portion 19 from being severely broken, in FIG. 5B, the welding width dimension of the joint portion 19 in the straight line portion other than the corner portion is changed to the corner portion. The joint portion 19 is thinner than the joint portion 19.

これは、第1枠体9A、第2枠体9Bの接合部19を形成する際の収縮による反りを低減させるという効果もある。さらに反りを低減させたい場合は、幅寸法を狭くした部分で、厚みも薄くしておくことが望ましい。このようにして、接合体14から接合部19と第2枠体9Bとを取り除くことで、MEA10を破損することなく取り出すことができる。   This also has the effect of reducing warpage due to contraction when forming the joint portion 19 of the first frame body 9A and the second frame body 9B. If it is desired to further reduce the warp, it is desirable to reduce the thickness at the portion where the width dimension is narrowed. In this way, by removing the joint portion 19 and the second frame body 9B from the joint body 14, the MEA 10 can be taken out without damage.

接合部19は、中央が開口した額縁状の四角形である。四角形でなく多角形でもよい。突起21は、2つあり、接合部19において、対向する位置にある。1つの突起21でもよいが、複数あることが好ましい。接合部19の直線部のすべてを、角部より細くする必要はない。1つの直線部分が細ければよい。   The joint portion 19 is a frame-shaped quadrilateral with an opening in the center. It may be polygonal instead of quadrangular. There are two protrusions 21, and they are located at opposing positions in the joint portion 19. Although one protrusion 21 may be provided, it is preferable that there are a plurality of protrusions. It is not necessary that all the straight portions of the joint portion 19 be thinner than the corner portions. It suffices if one straight line portion is thin.

なお、上記実施の形態中の例は、組み合わせることができる。   The examples in the above embodiments can be combined.

本発明の高分子電解質型燃料電池は、使用済みの燃料電池ならびに工程不良品などから、貴金属を含むMEAを破損させることなく回収し、再利用することができる燃料電池として有用で、例えば、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is useful as a fuel cell that can recover and reuse MEA containing a noble metal from a used fuel cell and defective products in a process without damaging the fuel cell. It is useful as a power source, a power source for electric vehicles, a fuel cell used in a home cogeneration system and the like.

1 燃料電池スタック
2 セル
3 集電板
4 端板
5 バネ
6 ボルト孔
7 締結ボルト
8 ナット
9 枠体
9A 第1枠体
9B 第2枠体
E 箇所
F 領域
G 境界部分
10 MEA
11 セパレータ
11A アノード側セパレータ
11C カソード側セパレータ
11W 冷却水セパレータ
12 マニホールド孔
13 ガス流路溝
13A 流路溝
13C 流路溝
13W 冷却水流路溝
14 接合体
15 電解質膜
16 アノード触媒層
17 カソード触媒層
18 ガス拡散層
19 接合部
21 突起
22 アノード電極
23 カソード電極
24 分離部
101 MEA
102 ボルト孔
103 マニホールド孔
104 ガスケット
105 枠体
106 切取線
1 Fuel Cell Stack 2 Cell 3 Current Collector 4 End Plate 5 Spring 6 Bolt Hole 7 Fastening Bolt 8 Nut 9 Frame 9A 1st Frame 9B 2nd Frame E Location F Region G Boundary 10 MEA
11 Separator 11A Anode-side Separator 11C Cathode-side Separator 11W Cooling Water Separator 12 Manifold Hole 13 Gas Channel Groove 13A Channel Channel 13C Channel Channel 13W Cooling Channel Channel 14 Assembly 15 Electrolyte Membrane 16 Anode Catalyst Layer 17 Cathode Catalyst Layer 18 Gas diffusion layer 19 Bonding part 21 Protrusion 22 Anode electrode 23 Cathode electrode 24 Separation part 101 MEA
102 Bolt hole 103 Manifold hole 104 Gasket 105 Frame 106 Cut line

Claims (12)

電解質膜と、
前記電解質膜を保持する枠体と、を含む接合体であって、
前記枠体は、前記電解質膜の一方面を保持する第1枠体と、他方面を保持する第2枠体とからなり、
さらに、前記第1枠体と前記第2枠体との間を接続する接合部を有し、
前記接合部は、突起部を有し、
前記接合部と前記突起部とは、シート状であり、前記突起部の厚みは、前記接合部の厚みより厚い接合体。
An electrolyte membrane,
A joined body including a frame for holding the electrolyte membrane,
The frame body includes a first frame body that holds one surface of the electrolyte membrane and a second frame body that holds the other surface of the electrolyte membrane.
Furthermore, it has a joint portion that connects the first frame body and the second frame body,
The joint is to have a protruding portion,
The joint and the protrusion are sheet-shaped, and the thickness of the protrusion is thicker than the thickness of the joint.
電解質膜と、
前記電解質膜を保持する枠体と、を含む接合体であって、
前記枠体は、前記電解質膜の一方面を保持する第1枠体と、他方面を保持する第2枠体とからなり、
さらに、前記第1枠体と前記第2枠体との間を接続する接合部を有し、
前記接合部は、突起部を有する接合体であり、
前記接合部は、平面視において、額縁状の多角形であり、その角部に前記突起を有し、
前記接合部は、シート状であり、
前記多角形の角部での前記接合部の幅は、前記多角形の角部以外の部分での前記接合部の幅よりも大きい接合体。
An electrolyte membrane,
A joined body including a frame for holding the electrolyte membrane,
The frame body includes a first frame body that holds one surface of the electrolyte membrane and a second frame body that holds the other surface of the electrolyte membrane.
Furthermore, it has a joint portion that connects the first frame body and the second frame body,
The joint is a joint having a protrusion ,
The joint portion is a frame-shaped polygon in a plan view, and has the protrusions at its corners,
The joint is sheet-shaped,
A joined body in which a width of the joint portion at a corner portion of the polygon is larger than a width of the joint portion at a portion other than the corner portion of the polygon.
電解質膜と、
前記電解質膜を保持する枠体と、を含む接合体であって、
前記枠体は、前記電解質膜の一方面を保持する第1枠体と、他方面を保持する第2枠体とからなり、
さらに、前記第1枠体と前記第2枠体との間を接続する接合部を有し、
前記接合部は、突起部を有し、
前記接合部は、前記第1枠体の第1表面と前記第2枠体の第2表面とに渡って位置し、
前記突起部は、前記第1表面と前記第2表面に平行方向に突出し、
前記突起部は、前記第2枠体上面のみに位置する接合体。
An electrolyte membrane,
A joined body including a frame for holding the electrolyte membrane,
The frame body includes a first frame body that holds one surface of the electrolyte membrane and a second frame body that holds the other surface of the electrolyte membrane.
Furthermore, it has a joint portion that connects the first frame body and the second frame body,
The joint is to have a protruding portion,
The joint portion is located across the first surface of the first frame body and the second surface of the second frame body,
The protrusion projects in a direction parallel to the first surface and the second surface,
The protrusion is a joined body located only on the upper surface of the second frame.
電解質膜と、
前記電解質膜を保持する枠体と、を含む接合体であって、
前記枠体は、前記電解質膜の一方面を保持する第1枠体と、他方面を保持する第2枠体とからなり、
さらに、前記第1枠体と前記第2枠体との間を接続する接合部を有し、
前記接合部は、突起部を有し、
前記接合部は、前記第1枠体の第1表面と前記第2枠体の第2表面とに渡って位置し、
前記突起部は、前記第1表面と前記第2表面に平行方向に突出し、
前記突起部は、中実である接合体。
An electrolyte membrane,
A joined body including a frame for holding the electrolyte membrane,
The frame body includes a first frame body that holds one surface of the electrolyte membrane and a second frame body that holds the other surface of the electrolyte membrane.
Furthermore, it has a joint portion that connects the first frame body and the second frame body,
The joint is to have a protruding portion,
The joint portion is located across the first surface of the first frame body and the second surface of the second frame body,
The protrusion projects in a direction parallel to the first surface and the second surface,
The said protrusion is a solid joined body.
前記接合部は、平面視において、額縁状の多角形であり、その角部に前記突起を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の接合体。 The joined body according to any one of claims 1 to 4, wherein the joined portion is a frame-shaped polygon in a plan view, and has the protrusions at its corners. 前記多角形は、4角形である請求項に記載の接合体。 The joined body according to claim 5 , wherein the polygon is a quadrangle. 前記突起部は、2個あり、
2つの前記突起部の位置は、前記接合部において、対向する位置である請求項1〜6のいずれか1項に記載の接合体。
There are two protrusions,
The joined body according to any one of claims 1 to 6, wherein the positions of the two protruding portions are positions facing each other in the joined portion.
前記接合部と前記第1枠体はシート状であり、
前記接合部の厚みは、前記第2枠体の厚みより厚い請求項1〜のいずれか1項に記載の接合体。
The joint portion and the first frame are sheet-shaped,
The joined body according to any one of claims 1 to 8 , wherein the joined portion has a thickness greater than that of the second frame body.
前記突起部は、シート状であり、前記突起部の厚みは、前記第2枠体の厚みより厚い請求項1〜のいずれか1項に記載の接合体。 The protrusion is a sheet shape, and the thickness of the protrusions assembly according to any one of the second frame of thicker claim than the thickness 1-8. 前記第2枠体は、厚みが薄い部分を有し、前記薄い部分に前記第1枠体が位置する請求項1〜のいずれか1項に記載の接合体。 The second frame, the thickness has a thin portion, assembly according to any one of claims 1 to 9 wherein said first frame to said thin portion is located. 請求項1から10のいずれか1項に記載の接合体と、
前記接合体を挟む一対のセパレータと、を有する単電池モジュールを複数積層して組み立てられる燃料電池。
The joined body according to any one of claims 1 to 10 ,
A fuel cell assembled by stacking a plurality of unit cell modules each having a pair of separators sandwiching the joined body.
電解質膜の周縁部が、第2枠体と、前記第2枠体よりも外径寸法が小さい第1枠体とで挟み込まれており、
前記第2枠体と前記第1枠体との合わせ部分が接合部で覆われており、
前記接合部に突起が設けられた接合体の分解方法であって、
前記第2枠体における前記突起の突出方向側の周縁部を、反るように変形させて、前記突起を前記第2枠体から剥がす第1工程と、
前記突起により、前記接合部と前記第1枠体とを、前記第2枠体から引き剥がす第2工程と、を有する、接合体の分解方法。
A peripheral portion of the electrolyte membrane is sandwiched between a second frame body and a first frame body having an outer diameter smaller than that of the second frame body,
The joining portion of the second frame body and the first frame body is covered with a joint portion,
A method for disassembling a joined body, wherein the joint portion is provided with a protrusion,
A first step of deforming the peripheral portion of the second frame body on the projecting direction side of the projection so as to warp and peeling the projection from the second frame body;
A method of disassembling a bonded body, comprising a second step of peeling the bonded portion and the first frame body from the second frame body by the protrusion.
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