JP6843730B2 - Fuel cell and its operation method - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜・電極構造体の外周部に枠部材が設けられた燃料電池及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a frame member is provided on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure and an operation method thereof.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備える。 Generally, a polymer electrolyte fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is arranged on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane.

電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to form a power generation cell (unit fuel cell). The power generation cells are used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of the power generation cells.

近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周に樹脂枠部材を組み込んだ枠付きMEAが採用されている(例えば、特許文献1を参照)。 In recent years, in order to reduce the amount of relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the thin-film, low-strength solid polymer electrolyte membrane, a framed MEA incorporating a resin frame member on the outer circumference has been adopted. (See, for example, Patent Document 1).

国際公開第2012/137609号International Publication No. 2012/137609

ところで、枠付きMEAでは、枠部材の内周部は、電解質膜・電極構造体に接合され、枠部材の外周部は、一対のセパレータに設けられた突起状のシール部間に挟持される。シール部を枠部材に接触させるために、枠部材の外周部は、枠部材の内周部よりも厚く設定される必要がある。そこで、異なる厚さの2枚の枠状シートを接合して、外周部が内周部よりも厚い枠状シートを構成することが考えられる。アノード電極に供給される反応ガスと、カソード電極に供給される反応ガスとは、圧力が異なる場合がある。この場合、反応ガス間の差圧によって2枚の枠状シートが剥離しないことが求められる。 By the way, in the MEA with a frame, the inner peripheral portion of the frame member is joined to the electrolyte membrane / electrode structure, and the outer peripheral portion of the frame member is sandwiched between the protruding seal portions provided on the pair of separators. In order to bring the seal portion into contact with the frame member, the outer peripheral portion of the frame member needs to be set thicker than the inner peripheral portion of the frame member. Therefore, it is conceivable to join two frame-shaped sheets having different thicknesses to form a frame-shaped sheet whose outer peripheral portion is thicker than that of the inner peripheral portion. The pressure of the reaction gas supplied to the anode electrode and the reaction gas supplied to the cathode electrode may be different. In this case, it is required that the two frame-shaped sheets do not peel off due to the differential pressure between the reaction gases.

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、2枚の枠状シートを接合してなる枠部材が電解質膜・電極構造体の外周部に設けられた燃料電池において、反応ガス間の差圧によって2枚の枠状シートが剥離することを防止することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such a problem, and is a reaction gas in a fuel cell in which a frame member formed by joining two frame-shaped sheets is provided on the outer peripheral portion of an electrolyte membrane / electrode structure. The purpose is to prevent the two frame-shaped sheets from peeling off due to the differential pressure between them.

上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜の両面に第1電極及び第2電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第1電極側に積層された第1セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第2電極側に積層された第2セパレータとを備え、前記第1電極に第1反応ガスが供給され、前記第2電極に第2反応ガスが供給される燃料電池であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第1枠状シートと、前記第1枠状シートよりも厚い第2枠状シートとを有し、前記第1枠状シートと前記第2枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第1セパレータと前記第2セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、前記第1枠状シートの内周部は、前記第1電極の外周部と前記第2電極の外周部との間に配置され、前記第2枠状シートの内周端は、隙間を介して、前記第2電極の外周端よりも外方に配置され、前記枠部材と前記第1セパレータとの間には、前記第2反応ガスの圧力よりも高い圧力に設定された前記第1反応ガスを流通させる流路が設けられ、前記枠部材と前記第2セパレータとの間には、前記第2反応ガスを流通させる流路が設けられることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention comprises an electrolyte membrane / electrode structure in which a first electrode and a second electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and the first electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure. A first separator laminated on the first electrode and a second separator laminated on the second electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure are provided, and a first reaction gas is supplied to the first electrode to supply the second electrode. A frame member that orbits the outer peripheral portion is provided on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure, and the inner peripheral portion of the frame member is an electrolyte. It has a first frame-shaped sheet joined to the outer peripheral portion of the film / electrode structure and a second frame-shaped sheet thicker than the first frame-shaped sheet, and the first frame-shaped sheet and the second frame-shaped sheet. The sheets are joined to each other in the thickness direction, the frame member is sandwiched between the first separator and the second separator, and the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet is formed by the first electrode. The inner peripheral end of the second frame-shaped sheet is arranged between the outer peripheral portion and the outer peripheral portion of the second electrode, and is arranged outside the outer peripheral end of the second electrode via a gap. A flow path for passing the first reaction gas set to a pressure higher than the pressure of the second reaction gas is provided between the frame member and the first separator, and the frame member and the second separator are provided. A flow path for passing the second reaction gas is provided between the two.

上記の燃料電池において、前記枠部材と前記第1セパレータとの間の前記流路は、前記第1反応ガスとして燃料ガスを流通させ、前記枠部材と前記第2セパレータとの間の前記流路は、前記第2反応ガスとして酸化剤ガスを流通させるとよい。 In the fuel cell, the flow path between the frame member and the first separator allows fuel gas to flow as the first reaction gas, and the flow path between the frame member and the second separator. It is preferable to distribute an oxidizing agent gas as the second reaction gas.

上記の燃料電池において、前記第1電極及び前記第2電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定されるとよい。 In the above fuel cell, in the first electrode and the second electrode, the plane dimension of one electrode may be set to be larger than the plane dimension of the other electrode.

上記の燃料電池において、前記第1電極は、前記第2電極の平面寸法よりも大きく設定されるとよい。 In the above fuel cell, the first electrode may be set to be larger than the plane dimension of the second electrode.

上記の燃料電池において、前記電解質膜の外周端の位置は、前記他方の電極の外周端と同じ位置にあるとよい。 In the above fuel cell, the position of the outer peripheral end of the electrolyte membrane may be the same as the outer peripheral end of the other electrode.

上記の燃料電池において、前記第1枠状シートの内周部は、前記電解質膜と前記第1電極との間に配置されているとよい。 In the above fuel cell, the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet may be arranged between the electrolyte membrane and the first electrode.

上記の燃料電池において、前記第1電極及び前記第2電極において、一方の電極は、前記電解質膜に重なる領域と前記第1枠状シートの内周部に重なる領域との間に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、他方の電極は、前記電解質膜に重なる領域から前記第1枠状シートの内周部に重なる領域に亘って平坦状に形成され、前記電解質膜の外周部は、前記他方の電極と前記第1枠状シートの内周部との間に配置されるとよい。 In the above fuel cell, in the first electrode and the second electrode, one of the electrodes is formed on the electrolyte membrane between a region overlapping the electrolyte membrane and a region overlapping the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet. The other electrode has an inclined region that is inclined with respect to the electrode, and is formed flat from a region that overlaps the electrolyte membrane to a region that overlaps the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet, and is an outer peripheral portion of the electrolyte membrane. Is preferably arranged between the other electrode and the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet.

上記の燃料電池において、前記第1枠状シートの前記第2枠状シート側の面には、全面に亘って接着層が設けられるとよい。 In the above fuel cell, it is preferable that an adhesive layer is provided over the entire surface of the surface of the first frame-shaped sheet on the side of the second frame-shaped sheet.

前記第1セパレータには、前記第1反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、前記第2セパレータには、前記第2反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、前記枠部材は、前記第1セパレータに設けられた前記ビードシールと、前記第2セパレータに設けられた前記ビードシールとにより挟持されているとよい。 The first separator is provided with a bead seal that bulges toward the frame member side in order to prevent leakage of the first reaction gas, and the second separator prevents leakage of the second reaction gas. Therefore, a bulging bead seal is provided on the frame member side, and the frame member is sandwiched between the bead seal provided on the first separator and the bead seal provided on the second separator. It is good to be there.

また、本発明は、電解質膜の両面に第1電極及び第2電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第1電極側に積層された第1セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第2電極側に積層された第2セパレータとを備え、前記第1電極に第1反応ガスが供給され、前記第2電極に第2反応ガスが供給される燃料電池の運転方法であって、前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第1枠状シートと、前記第1枠状シートよりも厚い第2枠状シートとを有し、前記第1枠状シートと前記第2枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、前記第1セパレータと前記第2セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、前記第1枠状シートの内周部は、前記第1電極の外周部と前記第2電極の外周部との間に配置され、前記第2枠状シートの内周端は、隙間を介して、前記第2電極の外周端よりも外方に配置され、前記枠部材と前記第1セパレータとの間に形成された流路に、前記第2反応ガスの圧力よりも高い圧力の前記第1反応ガスを供給し、前記枠部材と前記第2セパレータとの間に形成された流路に、前記第2反応ガスを供給することを特徴とする。 Further, in the present invention, the electrolyte membrane / electrode structure in which the first electrode and the second electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane and the first electrode structure laminated on the first electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure. A separator and a second separator laminated on the second electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure are provided, a first reaction gas is supplied to the first electrode, and a second reaction gas is supplied to the second electrode. A method of operating a supplied fuel cell, wherein a frame member that orbits the outer peripheral portion is provided on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure, and the inner peripheral portion of the frame member is an electrolyte membrane / electrode. It has a first frame-shaped sheet joined to the outer peripheral portion of the structure and a second frame-shaped sheet thicker than the first frame-shaped sheet, and the first frame-shaped sheet and the second frame-shaped sheet are The frame members are sandwiched between the first separator and the second separator, and the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet is the outer peripheral portion of the first electrode. The inner peripheral end of the second frame-shaped sheet is arranged between the outer peripheral portion of the second electrode and the outer peripheral portion of the second electrode via a gap, and is arranged with the frame member. The first reaction gas having a pressure higher than the pressure of the second reaction gas is supplied to the flow path formed between the first separator and the frame member and the second separator. The second reaction gas is supplied to the flow path.

前記枠部材と前記第1セパレータとの間の前記流路に、前記第1反応ガスとして燃料ガスを流通させ、前記枠部材と前記第2セパレータとの間の前記流路に、前記第2反応ガスとして酸化剤ガスを流通させるとよい。 A fuel gas is circulated as the first reaction gas in the flow path between the frame member and the first separator, and the second reaction is carried out in the flow path between the frame member and the second separator. Oxidizing agent gas should be circulated as gas.

前記第1電極は、前記第2電極の平面寸法よりも大きく設定され、前記電解質膜の外周端の位置は、前記第2電極の外周端と同じ位置にあるとよい。 It is preferable that the first electrode is set to be larger than the plane dimension of the second electrode, and the position of the outer peripheral end of the electrolyte membrane is the same as the outer peripheral end of the second electrode.

前記第1セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第1反応ガスを流す第1反応ガス流路と、前記第1反応ガスの漏れを防止するために前記第1反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、前記第1反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第1反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、前記第1電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置するとよい。 The first separator includes a first reaction gas flow path for flowing the first reaction gas along the electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure, and the first reaction gas to prevent leakage of the first reaction gas. A bead seal that surrounds the reaction gas flow path and bulges toward the frame member side is formed, and the first reaction gas flow path is formed between a plurality of protrusions protruding toward the electrolyte membrane / electrode structure side. It has a plurality of flow path grooves, the plurality of convex portions are formed at intervals in the flow path width direction of the first reaction gas flow path, and the outer peripheral end of the first electrode is the plurality of convex portions. Of these, it is preferable to be located between the outermost convex portion of the end in the width direction of the flow path and the bead seal.

前記第2セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第2反応ガスを流す第2反応ガス流路と、前記第2反応ガスの漏れを防止するために前記第2反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、前記第2反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第2反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、前記第2電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置するとよい。 The second separator includes a second reaction gas flow path for flowing the second reaction gas along the electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure, and the second reaction gas to prevent leakage of the second reaction gas. A bead seal that surrounds the reaction gas flow path and bulges toward the frame member side is formed, and the second reaction gas flow path is formed between a plurality of protrusions protruding toward the electrolyte membrane / electrode structure side. It has a plurality of flow path grooves, the plurality of convex portions are formed at intervals in the flow path width direction of the second reaction gas flow path, and the outer peripheral end of the second electrode is the plurality of convex portions. Of these, it is preferable to be located between the outermost convex portion of the end in the width direction of the flow path and the bead seal.

本発明の燃料電池及びその運転方法によれば、第1枠状シート側(隙間が形成されていない側)から第2枠状シート側(隙間が形成されている側)に向かって、反応ガス間の差圧が作用する。このため、差圧は、第1枠状シートと第2枠状シートとの接合面(貼り合わせ面)に作用しない。従って、反応ガス間の差圧による第1枠状シートと第2枠状シートとの剥離を防止することができる。 According to the fuel cell of the present invention and its operation method, the reaction gas is directed from the first frame-shaped sheet side (the side where the gap is not formed) to the second frame-shaped sheet side (the side where the gap is formed). The differential pressure between them acts. Therefore, the differential pressure does not act on the joint surface (bonding surface) between the first frame-shaped sheet and the second frame-shaped sheet. Therefore, it is possible to prevent the first frame-shaped sheet and the second frame-shaped sheet from peeling off due to the differential pressure between the reaction gases.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視図である。It is an exploded perspective view of the main part of the power generation cell which constitutes the fuel cell stack which concerns on embodiment of this invention. 図1におけるII−II線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 燃料電池システムの全体概略図である。It is an overall schematic diagram of a fuel cell system.

図1及び図2に示すように、発電セル(燃料電池)12は、枠付き電解質膜・電極構造体10(以下、「枠付きMEA10」という)と、枠付きMEA10の両側に配置された第1セパレータ14及び第2セパレータ16とを備える。発電セル12は、例えば、横長(又は縦長)の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル12は、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されて燃料電池スタック11aが構成される。燃料電池スタック11aは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the power generation cell (fuel cell) 12 is arranged on both sides of the framed electrolyte membrane / electrode structure 10 (hereinafter referred to as “framed MEA10”) and the framed MEA10. A separator 14 and a second separator 16 are provided. The power generation cell 12 is, for example, a horizontally (or vertically long) rectangular solid polymer fuel cell. For example, the plurality of power generation cells 12 are stacked in the arrow A direction (horizontal direction) or the arrow C direction (gravity direction) to form the fuel cell stack 11a. The fuel cell stack 11a is mounted on a fuel cell electric vehicle (not shown) as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

発電セル12では、枠付きMEA10が第1セパレータ14及び第2セパレータ16により挟持される。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。 In the power generation cell 12, the framed MEA 10 is sandwiched by the first separator 14 and the second separator 16. The first separator 14 and the second separator 16 have a horizontally long (or vertically long) rectangular shape. The first separator 14 and the second separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, a metal plate whose metal surface is surface-treated for corrosion protection, a carbon member, or the like.

長方形状の枠付きMEA10は、電解質膜・電極構造体10a(以下、「MEA10a」という)を備える。MEA10aは、電解質膜18と、電解質膜18の一方の面に設けられたアノード電極(第1電極)20と、電解質膜18の他方の面に設けられたカソード電極(第2電極)22とを有する。 The rectangular framed MEA 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure 10a (hereinafter, referred to as “MEA 10a”). The MEA10a comprises an electrolyte membrane 18, an anode electrode (first electrode) 20 provided on one surface of the electrolyte membrane 18, and a cathode electrode (second electrode) 22 provided on the other surface of the electrolyte membrane 18. Have.

電解質膜18は、例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜18は、アノード電極20及びカソード電極22に挟持される。電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用することができる。 The electrolyte membrane 18 is, for example, a solid polymer electrolyte membrane (cation exchange membrane). The solid polymer electrolyte membrane is, for example, a thin film of perfluorosulfonic acid containing water. The electrolyte membrane 18 is sandwiched between the anode electrode 20 and the cathode electrode 22. As the electrolyte membrane 18, an HC (hydrocarbon) -based electrolyte can be used in addition to the fluorine-based electrolyte.

アノード電極20は、電解質膜18及びカソード電極22よりも大きな平面寸法(外形寸法)を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極20は、電解質膜18及びカソード電極22よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。 The anode electrode 20 has a plane dimension (external dimension) larger than that of the electrolyte membrane 18 and the cathode electrode 22. Instead of the above configuration, the anode electrode 20 may be configured to have a plane dimension smaller than that of the electrolyte membrane 18 and the cathode electrode 22.

アノード電極20は、電解質膜18の一方の面18aに接合される第1電極触媒層20aと、第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを有する。第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜18及びカソード電極22よりも大きな平面寸法に設定される。 The anode electrode 20 has a first electrode catalyst layer 20a bonded to one surface 18a of the electrolyte membrane 18 and a first gas diffusion layer 20b laminated on the first electrode catalyst layer 20a. The first electrode catalyst layer 20a and the first gas diffusion layer 20b have the same planar dimensions as each other, and are set to have larger planar dimensions than the electrolyte membrane 18 and the cathode electrode 22.

カソード電極22は、電解質膜18の面18bに接合される第2電極触媒層22aと、前記第2電極触媒層22aに積層される第2ガス拡散層22bとを有する。第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜18と同一の平面寸法に設定される。従って、電解質膜18の面方向(図2で矢印C方向)において、カソード電極22の外周端22eは、電解質膜18の外周端18eと同じ位置にある。 The cathode electrode 22 has a second electrode catalyst layer 22a bonded to the surface 18b of the electrolyte membrane 18 and a second gas diffusion layer 22b laminated on the second electrode catalyst layer 22a. The second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b have the same planar dimensions as each other and are set to the same planar dimensions as the electrolyte membrane 18. Therefore, in the plane direction of the electrolyte membrane 18 (direction of arrow C in FIG. 2), the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22 is at the same position as the outer peripheral end 18e of the electrolyte membrane 18.

カソード電極22は、アノード電極20よりも小さい平面寸法に設定される。カソード電極22の外周端22e及び電解質膜18の外周端18eは、全周に亘ってアノード電極20の外周端20eよりも内方に位置する。 The cathode electrode 22 is set to a plane dimension smaller than that of the anode electrode 20. The outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22 and the outer peripheral end 18e of the electrolyte membrane 18 are located inward of the outer peripheral end 20e of the anode electrode 20 over the entire circumference.

なお、カソード電極22は、アノード電極20よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極22の外周端22eは、全周に亘ってアノード電極20の外周端20eよりも外方に位置してもよい。あるいは、アノード電極20とカソード電極22は、同一の平面寸法に設定され、アノード電極20の外周端20eと、カソード電極22の外周端22eは、電解質膜18の面方向(図2で矢印C方向)において、同一位置にあってもよい。 The cathode electrode 22 is set to have a plane dimension larger than that of the anode electrode 20, and the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22 may be located outside the outer peripheral end 20e of the anode electrode 20 over the entire circumference. .. Alternatively, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are set to have the same plane dimensions, and the outer peripheral end 20e of the anode electrode 20 and the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22 are in the plane direction of the electrolyte membrane 18 (direction arrow C in FIG. 2). ), They may be in the same position.

第1電極触媒層20aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第1ガス拡散層20bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層22aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第2ガス拡散層22bの表面に一様に塗布されて形成される。 The first electrode catalyst layer 20a is formed, for example, by uniformly coating the surface of the first gas diffusion layer 20b together with porous carbon particles on which a platinum alloy is supported on the surface together with an ion conductive polymer binder. The second electrode catalyst layer 22a is formed, for example, by uniformly coating the surface of the second gas diffusion layer 22b with porous carbon particles on which a platinum alloy is supported on the surface together with an ion conductive polymer binder.

第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。第2ガス拡散層22bの平面寸法は、第1ガス拡散層20bの平面寸法よりも小さく設定される。第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、各々電解質膜18の両面に形成される。 The first gas diffusion layer 20b and the second gas diffusion layer 22b are formed of carbon paper, carbon cloth, or the like. The plane dimension of the second gas diffusion layer 22b is set smaller than the plane dimension of the first gas diffusion layer 20b. The first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 18, respectively.

枠付きMEA10は、電解質膜18の外周を全周に亘って周回するとともに、アノード電極20及びカソード電極22に接合される枠部材24をさらに備える。枠部材24は、厚さの異なる2枚の枠状シートを有する。具体的には、枠部材24は、内周部24anがMEA10aの外周部に接合された第1枠状シート24aと、第1枠状シート24aに接合された第2枠状シート24bとを有する。第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとは、接着剤からなる接着層24cにより、厚さ方向に互いに接合されている。第2枠状シート24bは、第1枠状シート24aの外周部に接合される。これにより、枠部材24の外周部は、枠部材24の内周部よりも厚く構成される。 The framed MEA 10 orbits the outer circumference of the electrolyte membrane 18 over the entire circumference, and further includes a frame member 24 joined to the anode electrode 20 and the cathode electrode 22. The frame member 24 has two frame-shaped sheets having different thicknesses. Specifically, the frame member 24 has a first frame-shaped sheet 24a in which the inner peripheral portion 24an is joined to the outer peripheral portion of the MEA 10a, and a second frame-shaped sheet 24b in which the inner peripheral portion 24an is joined to the first frame-shaped sheet 24a. .. The first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b are joined to each other in the thickness direction by an adhesive layer 24c made of an adhesive. The second frame-shaped sheet 24b is joined to the outer peripheral portion of the first frame-shaped sheet 24a. As a result, the outer peripheral portion of the frame member 24 is made thicker than the inner peripheral portion of the frame member 24.

第1枠状シート24a及び第2枠状シート24bは樹脂材料により構成される。第1枠状シート24a及び第2枠状シート24bの構成材料としては、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。 The first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b are made of a resin material. Examples of the constituent materials of the first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b include PPS (polyphenylene sulfide), PPA (polyphthalamide), PEN (polyethylene terephthalate), PES (polyether sulfone), and LCP. (Liquid crystal polymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), silicone resin, fluororesin, m-PPE (modified polyphenylene ether resin), PET (polyethylene terephthalate), PBT (polybutylene terephthalate), modified polyolefin and the like can be mentioned.

第1枠状シート24aの内周部24anは、アノード電極20の外周部20cとカソード電極22の外周部22cとの間に配置される。具体的に、第1枠状シート24aの内周部24anは、電解質膜18の外周部18cとアノード電極20の外周部20cとの間に挟持される。第1枠状シート24aの内周部24anと電解質膜18の外周部18cとは、接着層24cを介して接合される。なお、第1枠状シート24aの内周部24anは、電解質膜18とカソード電極22との間に挟持されてもよい。 The inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a is arranged between the outer peripheral portion 20c of the anode electrode 20 and the outer peripheral portion 22c of the cathode electrode 22. Specifically, the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a is sandwiched between the outer peripheral portion 18c of the electrolyte membrane 18 and the outer peripheral portion 20c of the anode electrode 20. The inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a and the outer peripheral portion 18c of the electrolyte membrane 18 are joined via the adhesive layer 24c. The inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a may be sandwiched between the electrolyte membrane 18 and the cathode electrode 22.

上述したアノード電極20には、第1枠状シート24aの内周端24aeに対応する位置に段差が設けられる。具体的に、アノード電極20は、第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aと電解質膜18に重なる領域21bとの間に、電解質膜18に対して傾斜した傾斜領域21cを有する。従って、傾斜領域21cでは、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、電解質膜18に対して傾斜する。 The anode electrode 20 described above is provided with a step at a position corresponding to the inner peripheral end 24ae of the first frame-shaped sheet 24a. Specifically, the anode electrode 20 has an inclined region 21c inclined with respect to the electrolyte membrane 18 between a region 21a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a and a region 21b overlapping the electrolyte membrane 18. .. Therefore, in the inclined region 21c, the first electrode catalyst layer 20a and the first gas diffusion layer 20b are inclined with respect to the electrolyte membrane 18.

アノード電極20において、第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aの第1セパレータ14側の面は、電解質膜18に重なる領域21bの第1セパレータ14側の面よりも、電解質膜18から離間した位置にある。 In the anode electrode 20, the surface of the region 21a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a on the first separator 14 side is an electrolyte membrane rather than the surface of the region 21b overlapping the electrolyte membrane 18 on the first separator 14 side. It is located away from 18.

一方、カソード電極22は、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って、平坦状に形成される。従って、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って、第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、電解質膜18と平行である。 On the other hand, the cathode electrode 22 is formed flat from the region 23b overlapping the electrolyte membrane 18 to the region 23a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a. Therefore, the second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b are parallel to the electrolyte membrane 18 from the region 23b overlapping the electrolyte membrane 18 to the region 23a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a. is there.

なお、上記構成と異なり、アノード電極20が、電解質膜18に重なる領域21bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aに亘って平坦状に形成され、カソード電極22が、電解質膜18に重なる領域23bと第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aとの間に、電解質膜18に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。 Unlike the above configuration, the anode electrode 20 is formed flat from the region 21b overlapping the electrolyte membrane 18 to the region 21a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a, and the cathode electrode 22 is the electrolyte. An inclined region inclined with respect to the electrolyte membrane 18 may be provided between the region 23b overlapping the film 18 and the region 23a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a.

第2枠状シート24bは、第1枠状シート24aの外周部に接合される。第2枠状シート24bの厚さT2は、第1枠状シート24aの厚さT1よりも厚い。これにより枠部材24の外周部が厚くなるので、ビードシールで良好にシールすることができる。第2枠状シート24bの内周端24beは、第1枠状シート24aの内周端24aeよりも外方(MEA10aから離れる方向)に位置するとともに、アノード電極20の外周端20e及びカソード電極22の外周端22eよりも外方に位置する。第2枠状シート24bの内周端24beと、カソード電極22の外周端22eとの間には、隙間Gが形成されている。当該隙間Gは、後述する流路36aの一部を構成する。 The second frame-shaped sheet 24b is joined to the outer peripheral portion of the first frame-shaped sheet 24a. The thickness T2 of the second frame-shaped sheet 24b is thicker than the thickness T1 of the first frame-shaped sheet 24a. As a result, the outer peripheral portion of the frame member 24 becomes thicker, so that the bead seal can be used for good sealing. The inner peripheral end 24be of the second frame-shaped sheet 24b is located outside the inner peripheral end 24ae of the first frame-shaped sheet 24a (in the direction away from the MEA 10a), and the outer peripheral end 20e of the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 It is located outside the outer peripheral end 22e of. A gap G is formed between the inner peripheral end 24be of the second frame-shaped sheet 24b and the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22. The gap G constitutes a part of the flow path 36a described later.

接着層24cは、第1枠状シート24aの第2枠状シート24b側(カソード側)の面24asに、全面に亘って設けられる。第1枠状シート24aは、上述した隙間Gの箇所で、接着層24cを介して隙間G(流路36a)に露出する。接着層24cを構成する接着剤としては、例えば、液状接着剤やホットメルトシートが設けられる。なお、接着剤は、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。 The adhesive layer 24c is provided on the entire surface of the first frame-shaped sheet 24a on the surface 24as on the second frame-shaped sheet 24b side (cathode side). The first frame-shaped sheet 24a is exposed to the gap G (flow path 36a) via the adhesive layer 24c at the above-mentioned gap G. As the adhesive constituting the adhesive layer 24c, for example, a liquid adhesive or a hot melt sheet is provided. The adhesive is not limited to liquids, solids, thermoplastics, thermosettings, and the like.

図1に示すように、発電セル12の矢印B方向(水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔32aは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔34bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。 As shown in FIG. 1, one end edge of the power generation cell 12 in the arrow B direction (horizontal direction) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, to communicate with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the cooling medium inlet. The hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 34b are provided. The oxidant gas inlet communication hole 30a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, while the cooling medium inlet communication hole 32a supplies a cooling medium. The fuel gas outlet communication hole 34b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. The oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium inlet communication hole 32a, and the fuel gas outlet communication hole 34b are arranged in the arrow C direction (vertical direction).

発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔30bが設けられる。燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bは、矢印C方向に配列して設けられる。 At the other end of the power generation cell 12 in the arrow B direction, a fuel gas inlet communication hole 34a that communicates with each other in the arrow A direction to supply fuel gas, a cooling medium outlet communication hole 32b that discharges the cooling medium, and oxidation An oxidant gas outlet communication hole 30b for discharging the agent gas is provided. The fuel gas inlet communication hole 34a, the cooling medium outlet communication hole 32b, and the oxidant gas outlet communication hole 30b are arranged in the direction of arrow C.

第2セパレータ16の枠付きMEA10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路36は、第2セパレータ16と枠付きMEA10との間に形成される。酸化剤ガス流路36は、矢印B方向に延在する複数本の流路溝36rを有する。流路溝36rは、直線状流路溝又は波状流路溝である。 An oxidant gas flow path 36 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b is provided on the surface 16a of the second separator 16 toward the framed MEA 10. Specifically, the oxidant gas flow path 36 is formed between the second separator 16 and the framed MEA 10. The oxidant gas flow path 36 has a plurality of flow path grooves 36r extending in the direction of arrow B. The flow path groove 36r is a linear flow path groove or a wavy flow path groove.

第1セパレータ14の枠付きMEA10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通する燃料ガス流路38が設けられる。具体的に、燃料ガス流路38は、第1セパレータ14と枠付きMEA10との間に形成される。燃料ガス流路38は、矢印B方向に延在する複数本の流路溝38rを有する。流路溝38rは、直線状流路溝又は波状流路溝である。 A fuel gas flow path 38 that communicates with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b is provided on the surface 14a of the first separator 14 toward the framed MEA 10. Specifically, the fuel gas flow path 38 is formed between the first separator 14 and the framed MEA 10. The fuel gas flow path 38 has a plurality of flow path grooves 38r extending in the direction of arrow B. The flow path groove 38r is a linear flow path groove or a wavy flow path groove.

互いに隣接する第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路40が、矢印B方向に延在して形成される。 Between the surface 14b of the first separator 14 and the surface 16b of the second separator 16 adjacent to each other, a cooling medium flow path 40 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is indicated by an arrow B. It is formed so as to extend in the direction.

図2に示すように、第1セパレータ14の面14a(枠付きMEA10と対向する面)には、燃料ガス流路38を形成する凸部39が複数設けられる。凸部39は、アノード電極20側に向かって膨出するとともにアノード電極20に当接する。複数の凸部39は、燃料ガス流路38の流路方向に沿って延在するとともに、燃料ガス流路38の流路幅方向(矢印C方向)に間隔を置いて形成される。複数の凸部39間に複数の流路溝38rが形成される。 As shown in FIG. 2, a plurality of convex portions 39 forming the fuel gas flow path 38 are provided on the surface 14a (the surface facing the framed MEA 10) of the first separator 14. The convex portion 39 bulges toward the anode electrode 20 side and abuts on the anode electrode 20. The plurality of convex portions 39 extend along the flow path direction of the fuel gas flow path 38, and are formed at intervals in the flow path width direction (arrow C direction) of the fuel gas flow path 38. A plurality of flow path grooves 38r are formed between the plurality of convex portions 39.

第2セパレータ16の面16a(枠付きMEA10と対向する面)には、酸化剤ガス流路36を形成する凸部37が複数設けられる。凸部37は、カソード電極22側に向かって膨出するとともにカソード電極22に当接する。複数の凸部37は、酸化剤ガス流路36の流路方向に沿って延在するとともに、酸化剤ガス流路36の流路幅方向(矢印C方向)に間隔を置いて形成される。複数の凸部37間に複数の流路溝36rが形成される。凸部37、39間に、MEA10aが挟持される。 A plurality of convex portions 37 forming the oxidizing agent gas flow path 36 are provided on the surface 16a (the surface facing the framed MEA 10) of the second separator 16. The convex portion 37 bulges toward the cathode electrode 22 side and abuts on the cathode electrode 22. The plurality of convex portions 37 extend along the flow path direction of the oxidant gas flow path 36, and are formed at intervals in the flow path width direction (arrow C direction) of the oxidant gas flow path 36. A plurality of flow path grooves 36r are formed between the plurality of convex portions 37. MEA10a is sandwiched between the protrusions 37 and 39.

第1セパレータ14の面14aには、外部への燃料ガスの漏れを防止するために、この第1セパレータ14の外周部を周回する第1シールライン42(メタルビードシール)が設けられる。第1シールライン42は、枠部材24に向かって膨出するとともに、第1枠状シート24a(第2枠状シート24bと重なる領域)に気密及び液密に当接する。第1シールライン42は、外側ビード部42aと、外側ビード部42aよりも内側に設けられた内側ビード部42bとを有する。アノード電極20の外周端20eは、複数の凸部39のうち流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部39eと、第1シールライン42(内側ビード部42b)との間に位置する。なお、第1シールライン42は、外側ビード部42aと内側ビード部42bのいずれか一方のみで構成されてもよい。 The surface 14a of the first separator 14 is provided with a first seal line 42 (metal bead seal) that orbits the outer peripheral portion of the first separator 14 in order to prevent the fuel gas from leaking to the outside. The first seal line 42 bulges toward the frame member 24 and comes into airtight and liquidtight contact with the first frame-shaped sheet 24a (the region overlapping the second frame-shaped sheet 24b). The first seal line 42 has an outer bead portion 42a and an inner bead portion 42b provided inside the outer bead portion 42a. The outer peripheral end 20e of the anode electrode 20 is located between the outermost convex portion 39e in the flow path width direction of the plurality of convex portions 39 and the first seal line 42 (inner bead portion 42b). .. The first seal line 42 may be composed of only one of the outer bead portion 42a and the inner bead portion 42b.

内側ビード部42bは、燃料ガス流路38、燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部42a、42bの断面形状は、先端側(枠部材24側)に向かって先細り形状である。各ビード部42a、42bの先端は、平坦形状(湾曲形状でもよい)を有する。 The inner bead portion 42b goes around the fuel gas flow path 38, the fuel gas inlet communication hole 34a, and the fuel gas outlet communication hole 34b, and communicates them. The cross-sectional shape of each bead portion 42a, 42b is tapered toward the tip side (frame member 24 side). The tips of the bead portions 42a and 42b have a flat shape (may be a curved shape).

第1シールライン42よりも内方(MEA10a側)で、第1セパレータ14と枠部材24との間に形成された流路38aは、燃料ガス流路38と連通する。従って、当該流路38aには、燃料ガスが供給される。 The flow path 38a formed between the first separator 14 and the frame member 24 on the inner side (MEA10a side) of the first seal line 42 communicates with the fuel gas flow path 38. Therefore, the fuel gas is supplied to the flow path 38a.

第2セパレータ16の面16aには、外部への酸化剤ガスの漏れを防止するために、この第2セパレータ16の外周部を周回する第2シールライン44(メタルビードシール)が設けられる。第2シールライン44は、枠部材24に向かって膨出するとともに、第2枠状シート24bに気密及び液密に当接する。第1シールライン42と第2シールライン44は枠部材24を介して対向する。枠部材24は、第1シールライン42と第2シールライン44との間に挟持される。第2シールライン44は、外側ビード部44aと、外側ビード部44aよりも内側に設けられた内側ビード部44bとを有する。 A second seal line 44 (metal bead seal) that goes around the outer peripheral portion of the second separator 16 is provided on the surface 16a of the second separator 16 in order to prevent the oxidant gas from leaking to the outside. The second seal line 44 bulges toward the frame member 24 and comes into airtight and liquidtight contact with the second frame-shaped sheet 24b. The first seal line 42 and the second seal line 44 face each other via the frame member 24. The frame member 24 is sandwiched between the first seal line 42 and the second seal line 44. The second seal line 44 has an outer bead portion 44a and an inner bead portion 44b provided inside the outer bead portion 44a.

内側ビード部44bは、酸化剤ガス流路36、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部44a、44bの断面形状は、先端側(枠部材24側)に向かって先細り形状である。各ビード部44a、44bの先端は、平坦形状(湾曲形状でもよい)を有する。カソード電極22の外周端22eは、複数の凸部37のうち流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部37eと、第2シールライン44(内側ビード部44b)との間に位置する。 The inner bead portion 44b goes around the oxidant gas flow path 36, the oxidant gas inlet communication hole 30a, and the oxidant gas outlet communication hole 30b, and communicates them. The cross-sectional shape of each bead portion 44a, 44b is tapered toward the tip side (frame member 24 side). The tips of the bead portions 44a and 44b have a flat shape (may be a curved shape). The outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22 is located between the outermost convex portion 37e in the flow path width direction of the plurality of convex portions 37 and the second seal line 44 (inner bead portion 44b). ..

第2シールライン44よりも内方(MEA10a側)で、第2セパレータ16と枠部材24との間に形成された流路36aは、酸化剤ガス流路36と連通する。従って、当該流路36aには、酸化剤ガスが供給される。 The flow path 36a formed between the second separator 16 and the frame member 24 on the inner side (MEA10a side) of the second seal line 44 communicates with the oxidant gas flow path 36. Therefore, the oxidant gas is supplied to the flow path 36a.

図3において、燃料電池システム11は、上述した燃料電池スタック11aと、燃料電池スタック11aに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置50と、燃料電池スタック11aに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置52と、燃料電池スタック11aに冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置54とを備える。 In FIG. 3, the fuel cell system 11 includes the fuel cell stack 11a described above, an oxidant gas supply device 50 that supplies the oxidant gas to the fuel cell stack 11a, and a fuel gas supply that supplies the fuel gas to the fuel cell stack 11a. A device 52 and a cooling medium supply device 54 that supplies a cooling medium to the fuel cell stack 11a are provided.

酸化剤ガス供給装置50は、燃料電池スタック11aに設けられた酸化剤ガス供給マニホールド58aを介して酸化剤ガス入口連通孔30a(図1参照)に連通する酸化剤ガス供給配管64aと、燃料電池スタック11aに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド58bを介して酸化剤ガス出口連通孔30b(図1参照)に連通する酸化剤ガス排出配管64bとを有する。酸化剤ガス供給配管64aには、エアポンプ66が配設される。酸化剤ガス排出配管64bには、圧力調整弁68が配設される。 The oxidant gas supply device 50 includes an oxidant gas supply pipe 64a that communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a (see FIG. 1) via an oxidizer gas supply manifold 58a provided in the fuel cell stack 11a, and a fuel cell. It has an oxidant gas discharge pipe 64b that communicates with an oxidant gas outlet communication hole 30b (see FIG. 1) via an oxidant gas discharge manifold 58b provided on the stack 11a. An air pump 66 is arranged in the oxidant gas supply pipe 64a. A pressure adjusting valve 68 is provided in the oxidant gas discharge pipe 64b.

酸化剤ガス供給配管64a及び酸化剤ガス排出配管64bには、加湿器67が配設される。加湿器67としては、供給する空気を加湿できればよく、構造は特に限定されない。酸化剤ガス供給配管64aにおいて、エアポンプ66は加湿器67よりも上流側に配設される。酸化剤ガス排出配管64bにおいて、加湿器67よりも下流側には、圧力調整弁68が配設される。燃料電池システム11の制御部70は、例えば、エアポンプ66の動作速度と圧力調整弁68の弁開度の少なくとも一方を制御することにより、酸化剤ガス流路36を流通する酸化剤ガスの圧力を制御する。 A humidifier 67 is provided in the oxidant gas supply pipe 64a and the oxidant gas discharge pipe 64b. The humidifier 67 is not particularly limited in structure as long as it can humidify the supplied air. In the oxidant gas supply pipe 64a, the air pump 66 is arranged on the upstream side of the humidifier 67. In the oxidant gas discharge pipe 64b, a pressure regulating valve 68 is arranged on the downstream side of the humidifier 67. The control unit 70 of the fuel cell system 11 controls, for example, at least one of the operating speed of the air pump 66 and the valve opening degree of the pressure regulating valve 68 to control the pressure of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path 36. Control.

燃料ガス供給装置52は、燃料電池スタック11aに設けられた燃料ガス供給マニホールド60aを介して燃料ガス入口連通孔34a(図1参照)に連通する燃料ガス供給配管72aと、燃料電池スタック11aに設けられた燃料ガス排出マニホールド60bを介して燃料ガス出口連通孔34b(図1参照)に連通する燃料ガス排出配管72bとを有する。 The fuel gas supply device 52 is provided in the fuel gas supply pipe 72a and the fuel cell stack 11a that communicate with the fuel gas inlet communication hole 34a (see FIG. 1) via the fuel gas supply manifold 60a provided in the fuel cell stack 11a. It has a fuel gas discharge pipe 72b that communicates with a fuel gas outlet communication hole 34b (see FIG. 1) via the fuel gas discharge manifold 60b.

燃料ガス供給配管72aの上流には、高圧水素を貯留する水素タンク74が配置される。燃料ガス供給配管72aにおいて、燃料ガス供給マニホールド60aと水素タンク74との間には、封止弁76、圧力調整弁77及びエゼクタ78が配設される。エゼクタ78と燃料ガス排出配管72bには、水素循環路80が接続される。水素循環路80には、水素循環用の水素ポンプ82が配設される。制御部70は、水素ポンプ82の駆動速度を制御することにより、燃料ガス流路38を流通する燃料ガスの流量を制御する。 A hydrogen tank 74 for storing high-pressure hydrogen is arranged upstream of the fuel gas supply pipe 72a. In the fuel gas supply pipe 72a, a sealing valve 76, a pressure adjusting valve 77, and an ejector 78 are arranged between the fuel gas supply manifold 60a and the hydrogen tank 74. A hydrogen circulation path 80 is connected to the ejector 78 and the fuel gas discharge pipe 72b. A hydrogen pump 82 for hydrogen circulation is arranged in the hydrogen circulation path 80. The control unit 70 controls the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path 38 by controlling the driving speed of the hydrogen pump 82.

冷却媒体供給装置54は、燃料電池スタック11aに冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路84を備える。冷却媒体循環路84は、燃料電池スタック11aに設けられた冷却媒体供給マニホールド62aを介して冷却媒体入口連通孔32a(図1参照)に連通するとともに、冷却媒体排出マニホールド62bを介して冷却媒体出口連通孔32b(図1参照)に連通する。冷却媒体循環路84には、ラジエータ86及び冷却ポンプ88が配置される。 The cooling medium supply device 54 includes a cooling medium circulation path 84 that circulates and supplies the cooling medium to the fuel cell stack 11a. The cooling medium circulation path 84 communicates with the cooling medium inlet communication hole 32a (see FIG. 1) via the cooling medium supply manifold 62a provided in the fuel cell stack 11a, and also communicates with the cooling medium outlet through the cooling medium discharge manifold 62b. It communicates with the communication hole 32b (see FIG. 1). A radiator 86 and a cooling pump 88 are arranged in the cooling medium circulation path 84.

このように構成される発電セル12(燃料電池スタック11a)を含む燃料電池システム11の動作について、本実施形態に係る燃料電池の運転方法との関係で、以下に説明する。 The operation of the fuel cell system 11 including the power generation cell 12 (fuel cell stack 11a) configured as described above will be described below in relation to the operation method of the fuel cell according to the present embodiment.

図3に示すように、酸化剤ガス供給装置50では、エアポンプ66の駆動作用下に、酸化剤ガス供給配管64aに空気が送られる。この空気は、加湿器67を通って加湿された後、酸化剤ガス供給マニホールド58aを介して酸化剤ガス入口連通孔30a(図1参照)に供給される。加湿器67は、酸化剤ガス排出マニホールド58bから排出された水分と熱を、供給される空気に添加する。一方、燃料ガス供給装置52では、封止弁76の開放作用下に、水素タンク74から燃料ガス供給配管72aに燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド60aを介して燃料ガス入口連通孔34a(図1参照)に供給される。また、冷却媒体供給装置54では、冷却ポンプ88の作用下に、冷却媒体循環路84から冷却媒体入口連通孔32a(図1参照)に冷却媒体が供給される。 As shown in FIG. 3, in the oxidant gas supply device 50, air is sent to the oxidant gas supply pipe 64a under the driving action of the air pump 66. After being humidified through the humidifier 67, this air is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a (see FIG. 1) via the oxidant gas supply manifold 58a. The humidifier 67 adds the moisture and heat discharged from the oxidant gas discharge manifold 58b to the supplied air. On the other hand, in the fuel gas supply device 52, the fuel gas is supplied from the hydrogen tank 74 to the fuel gas supply pipe 72a under the opening action of the sealing valve 76. This fuel gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a (see FIG. 1) via the fuel gas supply manifold 60a. Further, in the cooling medium supply device 54, the cooling medium is supplied from the cooling medium circulation path 84 to the cooling medium inlet communication hole 32a (see FIG. 1) under the action of the cooling pump 88.

従って、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。 Therefore, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Be supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動してMEA10aのカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから第1セパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、MEA10aのアノード電極20に供給される。 Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the second separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 30a, moves in the direction of arrow B, and is supplied to the cathode electrode 22 of the MEA 10a. On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole 34a into the fuel gas flow path 38 of the first separator 14. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 38 and is supplied to the anode electrode 20 of the MEA 10a.

従って、MEA10aでは、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層22a及び第1電極触媒層20a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。 Therefore, in the MEA 10a, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 22 and the fuel gas supplied to the anode electrode 20 are consumed by the electrochemical reaction in the second electrode catalyst layer 22a and the first electrode catalyst layer 20a. And power is generated.

この場合、燃料ガス流路38に供給される第1反応ガス(燃料ガス)の圧力は、酸化剤ガス流路36に供給される第2反応ガス(酸化剤ガス)の圧力よりも高く設定される。従って、図2において、第1セパレータ14と枠部材24の間に形成された流路38aは、第2反応ガスよりも高い圧力に設定された第1反応ガスを流通させる。このため、流路36aと流路38aとの間に配置された枠部材24には、第1枠状シート24a側から第2枠状シート24b側(すなわち、第1セパレータ14側から第2セパレータ16側)に向かって、差圧Pが作用する。差圧Pは、例えば、5〜300kPaであり、好ましくは10〜200kpaである。 In this case, the pressure of the first reaction gas (fuel gas) supplied to the fuel gas flow path 38 is set higher than the pressure of the second reaction gas (oxidizer gas) supplied to the oxidant gas flow path 36. To. Therefore, in FIG. 2, the flow path 38a formed between the first separator 14 and the frame member 24 allows the first reaction gas set at a pressure higher than that of the second reaction gas to flow. Therefore, in the frame member 24 arranged between the flow path 36a and the flow path 38a, the first frame-shaped sheet 24a side to the second frame-shaped sheet 24b side (that is, the first separator 14 side to the second separator) The differential pressure P acts toward (16 side). The differential pressure P is, for example, 5 to 300 kPa, preferably 10 to 200 kpa.

次いで、図1において、カソード電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。 Next, in FIG. 1, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode electrode 20 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b.

また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、MEA10aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。 Further, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first separator 14 and the second separator 16 and then circulates in the direction of arrow B. After cooling the MEA10a, this cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b.

この場合、本実施形態では、図2に示すように、枠部材24は、内周部24anがMEA10aの外周部に接合された第1枠状シート24aと、第1枠状シート24aよりも厚い第2枠状シート24bとを有し、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとが厚さ方向に互いに接合される。第1枠状シート24aの内周部24anは、アノード電極20の外周部20cとカソード電極22の外周部22cとの間に配置され、第2枠状シート24bの内周端24beは、隙間Gを介して、カソード電極22の外周端22eよりも外方に配置される。そして、枠部材24と第1セパレータ14との間には、第2反応ガス(本実施形態では酸化剤ガス)の圧力よりも高い圧力に設定された第1反応ガス(本実施形態では燃料ガス)を流通させる流路38aが設けられる一方、枠部材24と第2セパレータ16との間には、第2反応ガスを流通させる流路36aが設けられる。 In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the frame member 24 is thicker than the first frame-shaped sheet 24a in which the inner peripheral portion 24an is joined to the outer peripheral portion of the MEA 10a and the first frame-shaped sheet 24a. It has a second frame-shaped sheet 24b, and the first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b are joined to each other in the thickness direction. The inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a is arranged between the outer peripheral portion 20c of the anode electrode 20 and the outer peripheral portion 22c of the cathode electrode 22, and the inner peripheral end 24be of the second frame-shaped sheet 24b is a gap G. Is arranged outside the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22. Then, between the frame member 24 and the first separator 14, the first reaction gas (fuel gas in the present embodiment) is set to a pressure higher than the pressure of the second reaction gas (oxidant gas in the present embodiment). ) Is provided, while a flow path 36a for passing the second reaction gas is provided between the frame member 24 and the second separator 16.

このように、発電セル12では、反応ガスの圧力が低い側に、隙間Gが設けられる。すなわち、反応ガスの圧力が低い側に、第2枠状シート24bが配置される。このため、第1枠状シート24a側(隙間Gが形成されていない側)から第2枠状シート24b側(隙間Gが形成されている側)に向かって、反応ガス間の差圧Pが作用する。当該差圧Pは、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとの接合面(貼り合わせ面)に作用しない。従って、反応ガス間の差圧Pによる第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとの剥離を防止することができるという作用効果が得られる。 As described above, in the power generation cell 12, the gap G is provided on the side where the pressure of the reaction gas is low. That is, the second frame-shaped sheet 24b is arranged on the side where the pressure of the reaction gas is low. Therefore, the differential pressure P between the reaction gases increases from the first frame-shaped sheet 24a side (the side where the gap G is not formed) to the second frame-shaped sheet 24b side (the side where the gap G is formed). It works. The differential pressure P does not act on the joint surface (bonding surface) between the first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b. Therefore, it is possible to prevent the first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b from being peeled off due to the differential pressure P between the reaction gases.

一方、本実施形態と異なり、反応ガスの圧力が高い側に、隙間Gが設けられる(第2枠状シート24bが配置される)場合、隙間Gが形成されている側から隙間Gが形成されていない側に向かって、反応ガス間の差圧が作用する。当該差圧は、特に、第2枠状シート24bの内周端24beの箇所で、第1枠状シート24aを第2枠状シート24bから離す方向に作用する。このため、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bの剥離が惹起される。 On the other hand, unlike the present embodiment, when the gap G is provided on the side where the pressure of the reaction gas is high (the second frame-shaped sheet 24b is arranged), the gap G is formed from the side where the gap G is formed. The differential pressure between the reaction gases acts toward the non-reactive side. The differential pressure acts in a direction in which the first frame-shaped sheet 24a is separated from the second frame-shaped sheet 24b, particularly at the inner peripheral end 24be of the second frame-shaped sheet 24b. Therefore, peeling of the first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b is caused.

これに対し、本実施形態では、上述のように、反応ガスの圧力が低い側に、隙間Gが設けられることから、差圧Pは、第1枠状シート24aを第2枠状シート24b側に押し付ける方向に作用するため、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとの剥離が防止される。 On the other hand, in the present embodiment, as described above, since the gap G is provided on the side where the pressure of the reaction gas is low, the differential pressure P is such that the first frame-shaped sheet 24a is on the second frame-shaped sheet 24b side. Since it acts in the direction of pressing against, the peeling of the first frame-shaped sheet 24a and the second frame-shaped sheet 24b is prevented.

また、本実施形態では、第1電極及び第2電極(アノード電極20及びカソード電極22)において、一方の電極(アノード電極20)は、電解質膜18に重なる領域21bと第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aとの間に、電解質膜18に対して傾斜する傾斜領域21cを有する。他方の電極(カソード電極22)は、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って平坦状に形成される。そして、電解質膜18の外周部18cは、他方の電極(カソード電極22)と第1枠状シート24aの内周部24anとの間に配置される。この構成により、電解質膜18に段差が形成されないため、製造時に電解質膜18が損傷することを抑制することができる。 Further, in the present embodiment, in the first electrode and the second electrode (anode electrode 20 and cathode electrode 22), one electrode (anode electrode 20) is a region 21b overlapping the electrolyte membrane 18 and the first frame-shaped sheet 24a. An inclined region 21c inclined with respect to the electrolyte membrane 18 is provided between the region 21a overlapping the inner peripheral portion 24an. The other electrode (cathode electrode 22) is formed flat from the region 23b overlapping the electrolyte membrane 18 to the region 23a overlapping the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a. The outer peripheral portion 18c of the electrolyte membrane 18 is arranged between the other electrode (cathode electrode 22) and the inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a. With this configuration, since no step is formed on the electrolyte membrane 18, it is possible to prevent the electrolyte membrane 18 from being damaged during manufacturing.

さらに、本実施形態では、第1枠状シート24aの第2枠状シート24b側の面には、全面に亘って接着層24cが設けられている。このため、枠部材24の内周部(第1枠状シート24aの内周部24an)とMEA10aの外周部とを良好に接合することができる。また、第1枠状シート24aに接着層24cを設けることが容易であるとともに、マスキング等が不要である。 Further, in the present embodiment, the adhesive layer 24c is provided on the entire surface of the first frame-shaped sheet 24a on the second frame-shaped sheet 24b side. Therefore, the inner peripheral portion of the frame member 24 (inner peripheral portion 24an of the first frame-shaped sheet 24a) and the outer peripheral portion of the MEA 10a can be satisfactorily joined. Further, it is easy to provide the adhesive layer 24c on the first frame-shaped sheet 24a, and masking or the like is unnecessary.

アノード電極20は、カソード電極22の平面寸法よりも大きく設定され、電解質膜18の外周端18eの位置は、カソード電極22の外周端22eと同じ位置にある。これにより、カソード電極22の外周端22eに対応する電解質膜18の部位に差圧が作用して電解質膜18が損傷を受けるのを防止することができる。 The anode electrode 20 is set to be larger than the plane dimension of the cathode electrode 22, and the position of the outer peripheral end 18e of the electrolyte film 18 is the same as the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22. As a result, it is possible to prevent the electrolyte membrane 18 from being damaged by the differential pressure acting on the portion of the electrolyte membrane 18 corresponding to the outer peripheral end 22e of the cathode electrode 22.

本発明は上述した実施形態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において、種々の改変が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

10…枠付きMEA 10a…MEA
12…発電セル 14…第1セパレータ
16…第2セパレータ 18…電解質膜
20…アノード電極 22…カソード電極
24…枠部材 24a…第1枠状シート
24b…第2枠状シート 24c…接着層
10 ... MEA with frame 10a ... MEA
12 ... Power generation cell 14 ... First separator 16 ... Second separator 18 ... Electrolyte film 20 ... Anode electrode 22 ... Cathode electrode 24 ... Frame member 24a ... First frame-shaped sheet 24b ... Second frame-shaped sheet 24c ... Adhesive layer

Claims (14)

電解質膜の両面に第1電極及び第2電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第1電極側に積層された第1セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第2電極側に積層された第2セパレータとを備え、前記第1電極に第1反応ガスが供給され、前記第2電極に第2反応ガスが供給される燃料電池であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、
前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第1枠状シートと、前記第1枠状シートよりも厚い第2枠状シートとを有し、前記第1枠状シートと前記第2枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、
前記第1セパレータと前記第2セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、
前記第1枠状シートの内周部は、前記第1電極の外周部と前記第2電極の外周部との間に配置され、
前記第2枠状シートの内周端は、前記第2電極の外周端と隙間を介して、前記第2電極の外周端よりも外方に配置され、
前記枠部材と前記第1セパレータとの間には、前記第2反応ガスの圧力よりも高い圧力に設定された前記第1反応ガスを流通させる流路が設けられ、
前記枠部材と前記第2セパレータとの間には、前記第2反応ガスを流通させる流路が設けられる、
ことを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane / electrode structure in which a first electrode and a second electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, a first separator laminated on the first electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the electrolyte membrane. A fuel cell provided with a second separator laminated on the second electrode side of the electrode structure, the first reaction gas is supplied to the first electrode, and the second reaction gas is supplied to the second electrode. There,
A frame member that orbits the outer peripheral portion is provided on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure.
The frame member has a first frame-shaped sheet whose inner peripheral portion is joined to the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure, and a second frame-shaped sheet which is thicker than the first frame-shaped sheet. The 1-frame-shaped sheet and the 2nd frame-shaped sheet are joined to each other in the thickness direction.
The frame member is sandwiched between the first separator and the second separator, and the frame member is sandwiched between the first separator and the second separator.
The inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet is arranged between the outer peripheral portion of the first electrode and the outer peripheral portion of the second electrode.
The inner peripheral end of the second frame-like sheet through the outer peripheral edge and the gap of the second electrode is disposed outward from the outer peripheral edge of the second electrode,
Between the frame member and the first separator, a flow path for passing the first reaction gas set to a pressure higher than the pressure of the second reaction gas is provided.
A flow path for passing the second reaction gas is provided between the frame member and the second separator.
A fuel cell characterized by that.
請求項1記載の燃料電池において、
前記枠部材と前記第1セパレータとの間の前記流路は、前記第1反応ガスとして燃料ガスを流通させ、
前記枠部材と前記第2セパレータとの間の前記流路は、前記第2反応ガスとして酸化剤ガスを流通させる、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to claim 1,
The flow path between the frame member and the first separator allows fuel gas to flow as the first reaction gas.
The flow path between the frame member and the second separator allows an oxidant gas to flow as the second reaction gas.
A fuel cell characterized by that.
請求項1又は2記載の燃料電池において、
前記第1電極及び前記第2電極において、一方の電極の平面寸法は、他方の電極の平面寸法よりも大きく設定される、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to claim 1 or 2.
In the first electrode and the second electrode, the planar dimension of one electrode is set to be larger than the planar dimension of the other electrode.
A fuel cell characterized by that.
請求項3記載の燃料電池において、
前記第1電極は、前記第2電極の平面寸法よりも大きく設定される、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to claim 3,
The first electrode is set to be larger than the plane dimension of the second electrode.
A fuel cell characterized by that.
請求項3又は4記載の燃料電池において、
前記電解質膜の外周端の位置は、前記他方の電極の外周端と同じ位置にある、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to claim 3 or 4.
The position of the outer peripheral edge of the electrolyte membrane is the same as the outer peripheral edge of the other electrode.
A fuel cell characterized by that.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池において、
前記第1枠状シートの内周部は、前記電解質膜と前記第1電極との間に配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to any one of claims 1 to 5.
The inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet is arranged between the electrolyte membrane and the first electrode.
A fuel cell characterized by that.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池において、
前記第1電極及び前記第2電極において、一方の電極は、前記電解質膜に重なる領域と前記第1枠状シートの内周部に重なる領域との間に前記電解質膜に対して傾斜する傾斜領域を有し、他方の電極は、前記電解質膜に重なる領域から前記第1枠状シートの内周部に重なる領域に亘って平坦状に形成され、
前記電解質膜の外周部は、前記他方の電極と前記第1枠状シートの内周部との間に配置される、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
In the first electrode and the second electrode, one of the electrodes is an inclined region inclined with respect to the electrolyte membrane between a region overlapping the electrolyte membrane and a region overlapping the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet. The other electrode is formed flat from the region overlapping the electrolyte membrane to the region overlapping the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet.
The outer peripheral portion of the electrolyte membrane is arranged between the other electrode and the inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet.
A fuel cell characterized by that.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池において、
前記第1枠状シートの前記第2枠状シート側の面には、全面に亘って接着層が設けられている、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to any one of claims 1 to 7.
An adhesive layer is provided over the entire surface of the surface of the first frame-shaped sheet on the side of the second frame-shaped sheet.
A fuel cell characterized by that.
請求項1記載の燃料電池において、
前記第1セパレータには、前記第1反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、
前記第2セパレータには、前記第2反応ガスの漏れを防止するために前記枠部材側に膨出したビードシールが設けられ、
前記枠部材は、前記第1セパレータに設けられた前記ビードシールと、前記第2セパレータに設けられた前記ビードシールとにより挟持されている、
ことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell according to claim 1,
The first separator is provided with a bead seal that bulges toward the frame member side in order to prevent leakage of the first reaction gas.
The second separator is provided with a bead seal that bulges toward the frame member side in order to prevent leakage of the second reaction gas.
The frame member is sandwiched between the bead seal provided on the first separator and the bead seal provided on the second separator.
A fuel cell characterized by that.
電解質膜の両面に第1電極及び第2電極が設けられてなる電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の前記第1電極側に積層された第1セパレータと、前記電解質膜・電極構造体の前記第2電極側に積層された第2セパレータとを備え、前記第1電極に第1反応ガスが供給され、前記第2電極に第2反応ガスが供給される燃料電池の運転方法であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周部には、前記外周部を周回する枠部材が設けられ、
前記枠部材は、内周部が電解質膜・電極構造体の外周部に接合された第1枠状シートと、前記第1枠状シートよりも厚い第2枠状シートとを有し、前記第1枠状シートと前記第2枠状シートとが厚さ方向に互いに接合されており、
前記第1セパレータと前記第2セパレータとの間に前記枠部材が挟持され、
前記第1枠状シートの内周部は、前記第1電極の外周部と前記第2電極の外周部との間に配置され、
前記第2枠状シートの内周端は、前記第2電極の外周端と隙間を介して、前記第2電極の外周端よりも外方に配置され、
前記枠部材と前記第1セパレータとの間に形成された流路に、前記第2反応ガスの圧力よりも高い圧力の前記第1反応ガスを供給し、
前記枠部材と前記第2セパレータとの間に形成された流路に、前記第2反応ガスを供給する、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
An electrolyte membrane / electrode structure in which a first electrode and a second electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, a first separator laminated on the first electrode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the electrolyte membrane. A fuel cell having a second separator laminated on the second electrode side of the electrode structure, the first reaction gas being supplied to the first electrode, and the second reaction gas being supplied to the second electrode. It ’s a driving method,
A frame member that orbits the outer peripheral portion is provided on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure.
The frame member has a first frame-shaped sheet in which an inner peripheral portion is joined to an outer peripheral portion of the electrolyte membrane / electrode structure, and a second frame-shaped sheet thicker than the first frame-shaped sheet. The 1-frame-shaped sheet and the 2nd frame-shaped sheet are joined to each other in the thickness direction.
The frame member is sandwiched between the first separator and the second separator, and the frame member is sandwiched between the first separator and the second separator.
The inner peripheral portion of the first frame-shaped sheet is arranged between the outer peripheral portion of the first electrode and the outer peripheral portion of the second electrode.
The inner peripheral end of the second frame-like sheet through the outer peripheral edge and the gap of the second electrode is disposed outward from the outer peripheral edge of the second electrode,
The first reaction gas having a pressure higher than the pressure of the second reaction gas is supplied to the flow path formed between the frame member and the first separator.
The second reaction gas is supplied to the flow path formed between the frame member and the second separator.
A method of operating a fuel cell, which is characterized by the fact that.
請求項10記載の燃料電池の運転方法において、
前記枠部材と前記第1セパレータとの間の前記流路に、前記第1反応ガスとして燃料ガスを流通させ、
前記枠部材と前記第2セパレータとの間の前記流路に、前記第2反応ガスとして酸化剤ガスを流通させる、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
In the method for operating a fuel cell according to claim 10,
A fuel gas is circulated as the first reaction gas in the flow path between the frame member and the first separator.
An oxidant gas is circulated as the second reaction gas in the flow path between the frame member and the second separator.
A method of operating a fuel cell, which is characterized by the fact that.
請求項10又は11記載の燃料電池の運転方法において、
前記第1電極は、前記第2電極の平面寸法よりも大きく設定され、
前記電解質膜の外周端の位置は、前記第2電極の外周端と同じ位置にある、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
In the method for operating a fuel cell according to claim 10 or 11.
The first electrode is set to be larger than the plane dimension of the second electrode.
The position of the outer peripheral edge of the electrolyte membrane is the same as the outer peripheral edge of the second electrode.
A method of operating a fuel cell, which is characterized by the fact that.
請求項10〜12のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記第1セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第1反応ガスを流す第1反応ガス流路と、前記第1反応ガスの漏れを防止するために前記第1反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、
前記第1反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第1反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、
前記第1電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置する、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The method for operating a fuel cell according to any one of claims 10 to 12.
The first separator includes a first reaction gas flow path for flowing the first reaction gas along the electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure, and the first reaction gas to prevent leakage of the first reaction gas. A bead seal that surrounds the reaction gas flow path and bulges toward the frame member is formed.
The first reaction gas flow path has a plurality of flow path grooves formed between a plurality of convex portions protruding toward the electrolyte membrane / electrode structure side, and the plurality of convex portions are the first reaction gas flow. Formed at intervals in the width direction of the flow path of the road,
The outer peripheral end of the first electrode is located between the outermost convex portion in the flow path width direction of the plurality of convex portions and the bead seal.
A method of operating a fuel cell, which is characterized by the fact that.
請求項10〜12のいずれか1項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記第2セパレータには、前記電解質膜・電極構造体の電極面に沿って前記第2反応ガスを流す第2反応ガス流路と、前記第2反応ガスの漏れを防止するために前記第2反応ガス流路を囲むとともに前記枠部材側に膨出したビードシールとが形成され、
前記第2反応ガス流路は、前記電解質膜・電極構造体側に突出した複数の凸部間に形成された複数の流路溝を有し、前記複数の凸部は、前記第2反応ガス流路の流路幅方向に間隔を置いて形成され、
前記第2電極の外周端は、前記複数の凸部のうち前記流路幅方向の最も外側に位置する端部凸部と、前記ビードシールとの間に位置する、
ことを特徴とする燃料電池の運転方法。
The method for operating a fuel cell according to any one of claims 10 to 12.
The second separator includes a second reaction gas flow path for flowing the second reaction gas along the electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure, and the second reaction gas to prevent leakage of the second reaction gas. A bead seal that surrounds the reaction gas flow path and bulges toward the frame member is formed.
The second reaction gas flow path has a plurality of flow path grooves formed between the plurality of protrusions protruding toward the electrolyte membrane / electrode structure side, and the plurality of protrusions are the second reaction gas flow. Formed at intervals in the width direction of the flow path of the road,
The outer peripheral end of the second electrode is located between the outermost convex portion in the flow path width direction of the plurality of convex portions and the bead seal.
A method of operating a fuel cell, which is characterized by the fact that.
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