JP7040303B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、接着層を有する燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel cell having an adhesive layer.
この種の燃料電池セルとして、電解質膜をカソード側触媒層およびアノード側触媒層で挟持した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するカソード側拡散層およびアノード側拡散層のうち、何れか一方の拡散層が電解質膜よりも小さく形成されたものが開示されている(特許文献1参照)。この燃料電池セルは、さらに、小さく形成された一方の拡散層の外周端面の外側であって、電解質膜とカソード側触媒層およびアノード側触媒層とカソード側拡散層およびアノード側拡散層との積層方向において電解質膜に対応する位置に配置されたシール部材と、シール部材と小さく形成された一方の拡散層の外周端面との間に支持層としての接着層を備えている。 As a fuel cell of this type, any one of a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a cathode side catalyst layer and an anode side catalyst layer, and a cathode side diffusion layer and an anode side diffusion layer in which a membrane electrode assembly is sandwiched. One diffusion layer formed to be smaller than the electrolyte membrane is disclosed (see Patent Document 1). This fuel cell is further outside the outer peripheral end face of one of the smaller diffusion layers, and is a stack of an electrolyte film, a cathode side catalyst layer, an anode side catalyst layer, a cathode side diffusion layer, and an anode side diffusion layer. An adhesive layer as a support layer is provided between the sealing member arranged at a position corresponding to the electrolyte membrane in the direction and the outer peripheral end surface of the sealing member and one of the small diffusion layers.
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池セルは、製造上、接着層と何れかの触媒層との間に隙間ができ易い。このような隙間ができると、隙間と対応する位置の膜電極接合体が露出してしまう。露出した部分には、薄い膜電極接合体が支持されないため、運転と休止の繰り返しの中で応力が集中した際に、膜電極接合体が裂けたり、水や水蒸気の侵入により膜(接合体)が膨潤・収縮し、疲労破壊する問題がある。 However, in the fuel cell described in Patent Document 1, a gap is likely to be formed between the adhesive layer and any of the catalyst layers in manufacturing. When such a gap is formed, the membrane electrode assembly at the position corresponding to the gap is exposed. Since the thin membrane electrode assembly is not supported in the exposed part, when stress is concentrated during repeated operation and rest, the membrane electrode assembly may tear or the membrane (bond) may be invaded by water or water vapor. There is a problem that it swells and contracts and breaks due to fatigue.
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、膜電極接合体を露出し難くすることで、応力の集中を防ぎ、水を侵入し難くし、膜電極接合体の膜裂けが起き難い燃料電池セルを提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve such a problem. By making it difficult to expose the membrane electrode assembly, it prevents stress concentration, makes it difficult for water to enter, and tears the membrane of the membrane electrode assembly. The challenge is to provide a fuel cell that is unlikely to occur.
本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜をカソード側およびアノード側からなる一対の触媒層で挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持し、一方の拡散層が前記膜電極接合体よりも小さいカソード側およびアノード側からなる一対の拡散層と、前記膜電極接合体よりも小さい前記一方の拡散層の端部と対向する端部を有する樹脂シートとを備え、前記一方の拡散層の端部と前記樹脂シートの端部との間に接着層を有する燃料電池セルであって、前記一対の触媒層のうち何れか一方の触媒層の端部は、前記一方の拡散層の端部よりも平面方向で内側に位置しており、前記一対の拡散層の積層方向の間において、前記接着層と前記一方の触媒層とが重なる領域を有していることを特徴とする。 The fuel cell according to the present invention sandwiches a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of catalyst layers consisting of a cathode side and an anode side, and the membrane electrode assembly, and one diffusion layer is the membrane electrode assembly. A pair of diffusion layers consisting of a cathode side and an anode side smaller than the body, and a resin sheet having an end facing the end of the one diffusion layer smaller than the membrane electrode assembly are provided, and the diffusion of the one. A fuel cell having an adhesive layer between the end of the layer and the end of the resin sheet, and the end of any one of the pair of catalyst layers is the diffusion layer of the one. It is located inside in the plane direction from the end portion, and is characterized by having a region where the adhesive layer and the one catalyst layer overlap between the stacking directions of the pair of diffusion layers.
本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体と、一方の拡散層が膜電極接合体よりも小さいカソード側およびアノード側からなる一対の拡散層と、一方の拡散層の端部と対向する端部を有する樹脂シートとを備え、一方の拡散層の端部と樹脂シートの端部との間に接着層を有し、一方の触媒層の端部は、一方の拡散層の端部よりも平面方向で内側に位置しており、一対の拡散層の積層方向の間において、接着層と一方の触媒層とが重なる領域を有している。この構成により、接着層と一方の触媒層との間に隙間ができ難くなり、膜電極接合体が露出し難くなる。その結果、応力が集中した際に膜電極接合体が裂けることや、燃料電池セル内で生ずる水の侵入により膜電極接合体が膨潤収縮して疲労破壊することが起き難くなる。 The fuel cell according to the present invention faces a membrane electrode assembly, a pair of diffusion layers having a cathode side and an anode side in which one diffusion layer is smaller than the membrane electrode assembly, and the end of one diffusion layer. A resin sheet having an end portion is provided, and an adhesive layer is provided between the end portion of one diffusion layer and the end portion of the resin sheet, and the end portion of one catalyst layer is from the end portion of one diffusion layer. Is also located inside in the plane direction, and has a region where the adhesive layer and one catalyst layer overlap between the stacking directions of the pair of diffusion layers. With this configuration, it becomes difficult to form a gap between the adhesive layer and one of the catalyst layers, and it becomes difficult to expose the membrane electrode assembly. As a result, the membrane electrode assembly is less likely to tear when stress is concentrated, and the membrane electrode assembly swells and contracts due to the intrusion of water generated in the fuel cell, resulting in fatigue fracture.
本発明によれば、膜電極接合体を露出し難くすることで、応力集中や水の浸入による膜電極接合体の膜裂けが起き難い燃料電池セルを提供することができる。 According to the present invention, by making the membrane electrode assembly difficult to expose, it is possible to provide a fuel cell in which the membrane tearing of the membrane electrode assembly is unlikely to occur due to stress concentration or water infiltration.
本発明に係る燃料電池セルを適用した実施形態に係る燃料電池セル10について図面を参照して説明する。
The
燃料電池セル10は、図1に示すように、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly、以下MEAという。)11と、カソード側ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer、以下GDLという。)12と、アノード側GDL13と、樹脂シート14と、接着層15と、カソード側セパレータ16と、アノード側セパレータ17とにより構成されている。なお、本実施形態に係るカソード側GDL12とアノード側GDL13は、本発明に係る燃料電池セルにおける一対の拡散層に対応する。
As shown in FIG. 1, the
MEA11は、電解質膜21と、カソード側触媒層22と、アノード側触媒層23との接合体で構成されている。電解質膜21は、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜21は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層23からカソード側触媒層22に移動させる機能を有している。
The
カソード側触媒層22は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層22は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。カソード側触媒層22の端部22aはカソード側GDL12の端部12aよりも平面方向で内側、即ち図1の紙面の右側に位置している。
The
アノード側触媒層23は、カソード側触媒層22と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層22と異なり、水素ガス(H2)をプロトンと電子に分解する機能を有している。なお、本実施形態に係るカソード側触媒層22とアノード側触媒層23は、本発明に係る燃料電池セルにおける一対の触媒層に対応する。
The anode-
カソード側GDL12は、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側GDL12は、カソード側触媒層22の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層22に行き渡らせる機能を有している。カソード側GDL12は、MEA11よりも小さく形成されており、カソード側GDL12の端部12aは、MEA11の端部11aよりも図1の紙面の右側に位置している。
The cathode side GDL 12 is formed of a material having gas permeability and conductivity, for example, a carbon fiber such as carbon paper or a porous fiber base material such as graphite fiber. The
カソード側GDL12は、カソード側触媒層22側に形成されたマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer、以下MPLという。)12bを有している。MPL12bは、いわゆるMPLペーストからなり、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするコーティング薄膜からなる。MPL12bは、水素(H)ガスを流通させるとともに、電解質膜21に、より多くの水分(H2O)を保持する機能やMEA11中の余分な水分を効率よく排出する機能を有している。
The
アノード側GDL13は、カソード側GDL12と同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側GDL13は、アノード側触媒層23の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層23に行き渡らせる機能を有している。アノード側GDL13は、カソード側GDL12と同様、MPLペーストからなるMPL13aを有している。
Like the cathode side GDL 12, the anode side GDL 13 is formed of a material having gas permeability and conductivity, for example, a carbon fiber such as carbon paper or a porous fiber base material such as graphite fiber. The anode-
樹脂シート14は、合成樹脂からなり、枠状に形成され、電解質膜21と接合されている。樹脂シート14は、燃料極の水素ガス(H2)や空気極の酸素ガス(O2)が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。
The
接着層15は、電解質膜21よりも高い剛性や高い弾性を有する液状接着部材からなる。液状接着部材としては、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤が挙げられる。接着層15は、後述する接着工程を経てカソード側GDL12の端部12aと樹脂シート14の端部14aとの間、積層方向におけるカソード側GDL12とカソード側触媒層22との間、積層方向における樹脂シート14と電解質膜21との間に形成されている。
The
カソード側セパレータ16は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ16は、カソード側GDL12および樹脂シート14に接合されており、カソード側GDL12の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路16aが形成されている。カソード側セパレータ16の表面は、チタン(Ti)薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。
The
アノード側セパレータ17は、カソード側セパレータ16と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータ17は、アノード側GDL13および樹脂シート14に接合されており、アノード側GDL13の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路17aが形成されている。アノード側セパレータ17の表面は、カソード側セパレータ16の表面と同様、表面にチタン(Ti)薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。
Like the
次いで、燃料電池セル10の接着層15の接着工程について、図面を参照して説明する。
Next, the bonding process of the
接着層15の接着工程は、図2に示すように、MEAをセットする工程と、MEAに接着剤を塗工する工程と、樹脂シートを設置する工程と、拡散層を設置する工程とを含んで構成されている。各工程は順に行われる。
As shown in FIG. 2, the bonding step of the
MEAをセットする工程においては、図3(a)に示すように、MEA11およびアノード側GDL13とが図示しないテーブルなどの載置台にセットされる(ステップS1)。アノード側GDL13が載置台に接する側に位置し、MEA11の予め小さく形成されたカソード側触媒層22が上側に位置する。
In the step of setting the MEA, as shown in FIG. 3A, the
MEAに接着剤を塗工する工程においては、図3(b)に示すように、MEA11を構成するカソード側触媒層22の端部22aを含みカソード側触媒層22および電解質膜21の外周部分に接着剤が塗工され、接着層15が形成される(ステップS2)。接着層15はカソード側触媒層22の外周部分と所定の範囲でオーバーラップしている。
In the step of applying the adhesive to the MEA, as shown in FIG. 3B, the outer peripheral portion of the cathode
樹脂シート14を設置する工程においては、図3(c)に示すように、樹脂シート14の端部14aから内側の領域と、アノード側GDL13の端部13bから内側の領域とがオーバーラップするように、樹脂シート14が、塗工された接着層15の上に設置される(ステップS3)。これにより、接着層15は、積層方向で樹脂シート14と重なる領域15bを有している。なお、接着剤を硬化する必要がある場合は、この工程において硬化するようにしても良い。
In the step of installing the
拡散層を設置する工程においては、図3(d)に示すように、樹脂シート14の端部14aとカソード側GDL12の端部12aとが、間隔L1を開けて対向する位置であって、カソード側GDL12の端部12aとカソード側触媒層22の端部22aとの間隔がL2になる位置に、カソード側GDL12を設置する。この場合には、接着層15がはみ出てもよい。
In the step of installing the diffusion layer, as shown in FIG. 3D, the
この設置により、接着層15は、カソード側GDL12と重なり、さらに、接着層15は、積層方向におけるカソード側GDL12とアノード側GDL13との間で、カソード側触媒層22と重なる領域15aを有している。なお、接着剤を硬化する必要がある場合は、この工程において硬化するようにしても良い。
By this installation, the
以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セル10の効果について説明する。
The effect of the
本実施形態に係る燃料電池セル10は、膜電極接合体11と、膜電極接合体11よりも小さいカソード側GDL12と、アノード側GDL13と、カソード側GDL12の端部12aに対向する端部14aを有する樹脂シート14とを備えている。燃料電池セル10は、さらに、カソード側GDL12の端部12aと樹脂シート14の端部14aとの間に接着層15を有し、カソード側触媒層22の端部22aは、カソード側GDL12の端部12aよりも平面方向で内側に位置しており、カソード側GDL12とアノード側GDL13との間であって、カソード側GDL12とカソード側触媒層22との積層方向の間で、接着層15がカソード側触媒層22と重なる領域15aを有している。
The
この構成により、接着層15がカソード側触媒層22と重なる領域15aを有しているので、接着層15とカソード側触媒層22との間に隙間ができ難くなり、膜電極接合体11が露出し難くなるという効果が得られる。その結果、応力が集中した際に膜電極接合体が裂けることや、燃料電池セル10内で生ずる水の侵入により膜電極接合体11が膨潤収縮して疲労破壊することが起き難くなる。したがって、侵入した水のカソード側触媒層22またはアノード側触媒層23との接触により、膜電極接合体11とカソード側触媒層22またはアノード側触媒層23との間に亀裂が生ずることが起き難くなるという効果が得られる。
With this configuration, since the
本実施形態に係る燃料電池セル10は、図4に示す従来の燃料電池セル100の構造における問題を解消することができるという効果が得られる。
The
従来の燃料電池セル100は、MEA111と、MPL112aを有するカソード側GDL112と、MPL113aを有するアノード側GDL113と、樹脂シート114と、接着層115と、カソード側セパレータ116と、アノード側セパレータ117とにより構成されている。
The
従来の燃料電池セル100は、第1の方法または第2の方法により作製される。第1の方法においては、まず、樹脂シート114とMEA111を接着する部分に接着剤が塗布され、樹脂シート114とMEA111が結合される。その後、樹脂シート114とカソード側GDL112との間の隙間に接着剤が充填される。第2の方法においては、まず、接着剤がMEA111の端部に塗布され、接着剤が塗布された端部に樹脂シート114およびカソード側GDL112が置かれる。
The
第1の方法では、工程が複数となり、さらに樹脂シート114とMEA111との間の狭い隙間に液状の接着剤を充填する作業は、比較的に時間を要する作業となり、燃料電池セル100の作製に時間を要するという問題がある。
In the first method, there are a plurality of steps, and the work of filling the narrow gap between the
また、第2の方法では、接着剤の塗工を1度で行うことができ工程が簡便になるが、樹脂シート114またはカソード側GDL112の何れから設置するにせよ、カソード側GDL112とMEA111を構成するカソード側触媒層122との間に接着剤が入り込むか(a)、または、接着層115の端とカソード側GDL112の間に隙間ができてしまう(b)。
Further, in the second method, the adhesive can be applied once, which simplifies the process. However, regardless of whether the adhesive is installed from the
(a)の場合、接着剤が接するカソード側触媒層122とカソード側GDL112のMPL112aの面は一般的に表面が粗いために、接着剤とカソード側GDL112、MEA111との接着性が悪く、カソード側触媒層122とカソード側GDL112の部分に応力が生じた際に、カソード側GDL112やMEA111が接着剤から剥離してしまうという問題がある。カソード側GDL112やMEA111が接着剤から剥離してしまうと、MEA111が単独の部材となり、裂けやすくなってしまうという問題がある。
In the case of (a), since the surface of the MPL112a of the cathode
(b)の場合、MEA111が接着剤にも、カソード側触媒層122にも被覆されない状態で露出してしまうという問題がある。この場合もMEA111が単独の部材となり、裂けやすくなってしまうという問題がある。さらに、MEA111が露出しており、未拘束の状態で燃料電池セル100により構成される燃料電池の発電中は、外気の湿度が変化するため、水や水蒸気の侵入によりMEA111が膨潤および収縮し、MEA111が裂けることがあるという問題がある。
In the case of (b), there is a problem that the
本実施形態に係る燃料電池セル10は、従来の燃料電池セル100の構造における上記の各問題を解消することができるという効果が得られる。
The
本実施形態に係る燃料電池セル10においては、カソード側GDL12とカソード側触媒層22との間で、接着層15がカソード側触媒層22と重なる領域15aを有している構造で構成した場合について説明した。この場合は、カソード側GDL12、接着層15、カソード側触媒層22、電解質膜21の順に積層されている。
In the
しかしながら、本発明に係る燃料電池セルにおいては、実施形態に係る燃料電池セル10の構造以外の他の構造で構成するようにしても良い。即ち、カソード側触媒層22と電解質膜21との間で、接着層15がカソード側触媒層22と重なる領域15aを有している構造で構成してもよい。この場合は、カソード側GDL12、カソード側触媒層22、接着層15、電解質膜21の順に積層されている。
However, the fuel cell according to the present invention may have a structure other than the structure of the
また、本実施形態に係る燃料電池セル10においては、図1に示すように、紙面の上から、カソード側セパレータ16、カソード側GDL12、カソード側触媒層22、電解質膜21、アノード側触媒層23、アノード側GDL13およびとアノード側セパレータ17の順に積層された構造で構成した場合について説明した。
Further, in the
しかしながら、本発明に係る燃料電池セルにおいては、実施形態に係る燃料電池セル10の構造以外の他の構造で構成するようにしても良い。即ち、紙面の上から、カソード側セパレータ16に代えてアノード側セパレータ17、カソード側GDL12に代えてアノード側GDL13、カソード側触媒層22に代えてアノード側触媒層23、電解質膜21、アノード側触媒層23に代えてカソード側触媒層22、アノード側GDL13に代えてカソード側GDL12、アノード側セパレータ17に代えてカソード側セパレータ16の順で構成するようにしてもよい。
However, the fuel cell according to the present invention may have a structure other than the structure of the
この場合は、アノード側GDL13がMEA11よりも小さく形成され、アノード側触媒層23の端部が、平面方向でアノード側GDL13の端部13bよりも内側に位置する。また、アノード側GDL12とアノード側触媒層23との積層方向の間で、接着層15がアノード側触媒層23と重なる領域15aを有している。この場合も、実施形態に係る燃料電池セル10と同様の効果が得られる。
In this case, the anode-
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs are designed without departing from the spirit of the present invention described in the claims. You can make changes.
10・・・燃料電池セル、11・・・MEA(膜電極接合体)、11a,12a,13b,14a,22a・・・端部、12・・・カソード側GDL(一対の拡散層)、12b,13a・・・MPL、13・・・アノード側GDL(一対の拡散層)、14・・・樹脂シート、15・・・接着層、15a,15b・・・重なる領域、16・・・カソード側セパレータ、16a・・・酸化剤ガス流路、17・・・アノード側セパレータ、17a・・・燃料ガス流路、21・・・電解質膜、22・・・カソード側触媒層(一対の触媒層)、23・・・アノード側触媒層(一対の触媒層) 10 ... Fuel cell, 11 ... MEA (membrane electrode assembly), 11a, 12a, 13b, 14a, 22a ... end, 12 ... cathode side GDL (pair of diffusion layers), 12b , 13a ... MPL, 13 ... Anode side GDL (pair of diffusion layers), 14 ... Resin sheet, 15 ... Adhesive layer, 15a, 15b ... Overlapping region, 16 ... Cathode side Separator, 16a ... Oxidizing agent gas flow path, 17 ... Anode side separator, 17a ... Fuel gas flow path, 21 ... Electrolyte film, 22 ... Cathode side catalyst layer (pair of catalyst layers) , 23 ... Anode side catalyst layer (pair of catalyst layers)
Claims (1)
前記一対の触媒層のうち何れか一方の触媒層の端部は、前記一方の拡散層の端部よりも平面方向で内側に位置しており、前記一対の拡散層の積層方向の間において、前記接着層と前記一方の触媒層とが重なる領域を有していることを特徴とする燃料電池セル。 A membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of catalyst layers consisting of a cathode side and an anode side, and a membrane electrode assembly in which one diffusion layer is smaller than the membrane electrode assembly on the cathode side and the anode side. A resin sheet which is a sealing member having a pair of diffusion layers composed of the same and an end portion facing the end portion of the one diffusion layer smaller than the membrane electrode assembly in a direction parallel to the in-plane of the diffusion layer. A fuel cell having an adhesive layer between the end of the one diffusion layer and the end of the resin sheet.
The end portion of one of the catalyst layers of the pair of catalyst layers is located inside the end portion of the one diffusion layer in the plane direction, and is located between the stacking directions of the pair of diffusion layers. A fuel cell having a region where the adhesive layer and one of the catalyst layers overlap each other.
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