WO2007145291A1 - 燃料電池用膜電極接合体、高分子電解質型燃料電池用セル、高分子電解質型燃料電池及び膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

燃料電池用膜電極接合体、高分子電解質型燃料電池用セル、高分子電解質型燃料電池及び膜電極接合体の製造方法 Download PDF

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Hiroki Kusakabe
Takashi Morimoto
Toshihiro Matsumoto
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Definitions

  • Membrane electrode assembly for fuel cell, polymer electrolyte fuel cell, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing membrane electrode assembly
  • the present invention relates to a membrane electrode assembly used in a fuel cell, a method for producing the membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.
  • the present invention relates to a membrane electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing a membrane electrode assembly in which a gasket is bonded to the peripheral edge of the membrane electrode assembly body.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • a PEFC is generally configured by stacking cells.
  • One cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly between a pair of plate-like conductive separators, specifically, an anode separator and a cathode separator.
  • the membrane / electrode assembly includes a membrane / electrode assembly body and a frame that extends around the periphery of the membrane / electrode assembly and surrounds the membrane / electrode assembly.
  • the membrane / electrode assembly body is composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers formed on both sides thereof. Then, the fuel gas and the oxidant gas come into contact with both surfaces of the electrode layer, respectively, and an electrochemical reaction occurs.
  • the frame includes a gasket, and the gap between the gasket and the separator is sealed, and leakage of fuel gas and oxidizing agent gas to the outside is blocked or suppressed.
  • Fuel cell cells having this configuration are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-155745 and Japanese Patent No. 3368907.
  • a fuel battery cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-155745 discloses a gasket formed so as to cover the end surface of the membrane electrode assembly main body and seal the end surface.
  • a gasket is not suitable for mass production because it takes time and effort to dispose a sealing material that adheres uniformly to the periphery of the electrode layer without excess or deficiency.
  • the gasket also covers the end face of the electrode layer of the membrane electrode assembly body. Since it is covered, the part of the end surface covered with the gasket does not contribute to power generation, resulting in a problem of reducing efficiency.
  • the membrane electrode assembly disclosed in FIG. 3 of Japanese Patent No. 3 368907 discloses a membrane electrode assembly in which a gap is provided between an electrode layer and a gasket (gas seal material).
  • the applicant in the earlier application (2005-105742, unpublished), has an annular portion formed substantially annularly along the inner edge of the frame, and A gasket structure having an extending portion formed by extending from the annular portion so as to be bonded to the side surface of the electrode layer through the inner edge portion of the frame and the peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane is disclosed. did. With this configuration, as shown in FIG. 6 (d) of the application, the above problem that the polymer electrolyte membrane is not exposed to the surface is solved.
  • the electrode layer has a multilayer structure in which a catalyst layer, a C layer, and a gas diffusion layer are laminated on a polymer electrolyte membrane, which is not normally constituted of a single layer structure.
  • the gas diffusion layer is usually made larger than the catalyst layer and is disposed so as to protrude from the periphery of the catalyst layer.
  • the side surface of the electrode layer is not flush with the protruding portion of the gas diffusion layer, and the polymer electrolyte membrane is actually exposed without the portion being covered by the gasket.
  • Fuel gas and oxidant gas that have passed through the diffusion layer enter the gap located below the protruding portion of the diffusion layer, and this may cause fuel gas and oxidant gas to leak through the gap. It was.
  • the technical problem to be solved by the present invention is that a membrane electrode assembly for a fuel cell and a polymer electrolyte type capable of preventing the exposure of a polymer electrolyte membrane that should solve the above-mentioned problem
  • a fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing a membrane electrode assembly are provided.
  • the present invention is configured as follows.
  • the catalyst layer and the catalyst layer are larger in area than the catalyst layer and the catalyst layer in the central region inside the peripheral portions of both surfaces of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane, respectively.
  • a membrane electrode assembly main body comprising a pair of electrode layers laminated with a diffusion layer having a peripheral edge protruding from the periphery, and a gap is provided between the protrusion of the diffusion layer and the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane
  • a plate-like thermoplastic resin-made frame made to sandwich the periphery of the polymer electrolyte membrane with a distance from the pair of electrode layers and surrounding the outer edge of the polymer electrolyte membrane;
  • a gasket made of thermoplastic resin provided on each side of the frame, and the gasket is provided along an inner edge of the frame, and an annular portion that covers the gap from the inner edge of the frame.
  • a rib provided on the annular portion and extending along the inner edge of the frame, and a gap filling portion filling the gap between the protruding portion of the diffusion layer and the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane;
  • a membrane electrode assembly for a fuel cell is provided.
  • the position where the rib extending along the inner edge of the frame is provided is more than the outer peripheral end of the polymer electrolyte membrane sandwiched between the frames.
  • the fuel cell membrane electrode assembly according to the first aspect is provided so as to be inside.
  • the membrane electrode assembly for a fuel cell according to the first aspect wherein the diffusion layer has a protruding width of the protruding portion shorter than a thickness width of the diffusion layer.
  • the diffusion layer is configured such that the end face of the protruding portion is tapered in a direction in which the catalyst layer side becomes shorter. Provide coalescence.
  • the electrode layers provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane are arranged so that the positions thereof are shifted on the front and back surfaces, and the positions of the gaps are on the front and back surfaces.
  • a membrane electrode assembly for a fuel cell according to a first embodiment which differs in direction.
  • the frame includes a pair of manifold holes for supplying fuel gas and oxidant gas to the membrane electrode assembly main body, respectively,
  • the annular part of the gasket provides the membrane electrode assembly for a fuel cell according to the first aspect, which is provided around the manifold hole.
  • the membrane electrode assembly of the first aspect and an anode separator and a force sword separator arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly,
  • annular contact portion that contacts an annular portion provided around the membrane electrode assembly main body is provided in the same shape as the outer shape of the annular portion.
  • a cell for a polymer electrolyte fuel cell that is configured so as not to generate a gap between a portion and an annular portion contact portion.
  • a polymer electrolyte fuel cell comprising two or more polymer electrolyte fuel cell cells according to the seventh aspect being laminated.
  • the catalyst layer is provided on both surfaces inside the periphery of the polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer has an area larger than the catalyst layer on the surface of the catalyst layer.
  • a membrane electrode assembly main body portion in which a gap is formed between the protruding portion of the diffusion layer and the peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane is prepared by arranging the diffusion layers formed so that the peripheral edge protrudes from the stacked layers.
  • thermoplastic resin is poured between the first mold and the second mold to form a frame-shaped molded member having a flat portion on the inner edge of the frame,
  • the membrane electrode assembly is arranged such that the peripheral edge of the membrane electrode assembly body is located on the flat portion.
  • a third mold is joined to a first mold in a state in which the molded main body is disposed in a frame of the molded member and the molded member is fitted, and the first mold and the third mold are joined.
  • a thermoplastic resin is poured in between to form a frame body in which the membrane electrode assembly main body portion is joined, and a fourth body is sandwiched between the frames to which the membrane electrode assembly main body portion is joined.
  • a mold and a fifth mold are joined, and molten resin is poured between the fourth mold and the fifth mold, and is provided along the inner edge of the frame body.
  • An annular portion that covers up to the outer edge of the diffusion layer, a rib that is provided on the annular portion and extends along the inner edge of the frame, a protruding portion of the diffusion layer, and a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane A method for manufacturing a membrane electrode assembly is provided, in which a gasket including a gap filling portion that fills the gaps between them is molded.
  • the present invention since there is an annular portion that is provided along the inner edge of the frame body and covers from the inner edge of the frame body to the outer edge of the diffusion layer, there is a gap between the frame body and the diffusion layer. It is not formed.
  • the annular portion is provided from the inner edge of the frame to the outer edge of the diffusion layer, and does not cover the diffusion layer, so that the surface area of the diffusion layer that can contact the fuel gas and the oxidant gas can be reduced.
  • the power generation efficiency can be kept high.
  • the fuel gas and the oxidant gas sent from the frame body side diffuse through the diffusion layer.
  • the protruding partial force of the layer can also be prevented from being short-cut without coming into contact with the catalyst layer which does not flow into the gap between the polymer electrolyte membrane.
  • the fuel utilization rate can be improved and stable power generation can be performed. Further, by providing a rib on the top surface of the annular portion, the hermeticity between the membrane electrode assembly and the separator can be enhanced.
  • the rib provided on the top surface of the annular portion can improve the sealing property between the separator and each electrode assembly.
  • the frame presses the polymer electrolyte membrane by the pressure applied to the rib when combined with the separator, so that the polymer It is possible to prevent the fuel gas or the oxidant gas from being short-cut to the opposite side surface from the gap between the electrolyte membrane and the frame.
  • FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing a schematic structure of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially exploded cross-sectional view showing the cell cross-section taken along the line ⁇ - ⁇ in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing the surface structure of the membrane electrode assembly of FIG. 1 on the anode separator side.
  • FIG. 4 is a plan view showing the surface structure of the membrane electrode assembly of FIG.
  • FIG. 5A is a cross-sectional perspective view of the boundary portion between the gasket and the electrode layer of the membrane electrode assembly
  • FIG. 5B is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of the electrode layer of the membrane / electrode assembly main body
  • FIG. 5C is a partial enlarged cross-sectional view showing the configuration of the electrode layer of the main part of the membrane electrode assembly according to the modification
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram schematically showing each manufacturing process of the membrane-electrode assembly in the cross-section taken along the line VI-VI in FIG. 3 and FIG.
  • FIG. 7A is an enlarged partial cross-sectional view of a membrane electrode assembly that works on a modification
  • FIG. 7B is an enlarged partial cross-sectional view of a membrane / electrode assembly that works on a further modification.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a partially exploded structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
  • a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 100 is formed by laminating cells 10. It is configured. Although not shown, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are attached to the outermost layers at both ends of the cell 10, and the cell 10 has fastening bolts and nuts (both shown) that are passed through the bolt holes 4 from both ends. (None). In this embodiment, 60 cells 10 are stacked, and the bolt and nut passed through the bolt hole 4 are fastened with a fastening force of 10 kN.
  • the cell 10 is composed of a frame 6 at the peripheral edge of both surfaces of the membrane electrode assembly 1, more precisely, a gasket 7 formed of a pair of conductive separators, specifically an anode separator 2 and a force sword separator 3. It is comprised between. As a result, the diffusion layer 5c (see FIG.
  • a pair of through holes through which fuel gas and oxidant gas circulate in the peripheral portions of the separators 2, 3 and the membrane electrode assembly 1, that is, the frame 6, ie, fuel gas mould holes 1, 2, 22, 32 and 13, 23, 33 forces are provided.
  • the through holes are stacked to form a fuel gas mold and an oxidant mold.
  • a fuel gas passage groove 21 is provided on the inner main surface of the anode separator so as to connect the pair of fuel gas manifold holes 22, 22.
  • an oxidizing gas channel 31 is formed so as to connect the pair of oxidant gas-mold holes 33, 33. That is, the oxidant gas and the fuel gas are branched from the one of the moulds, that is, the supply-side mould, into the flow channel grooves 21 and 31, respectively. It is configured to be distributed to the side of the mall.
  • the fuel gas channel groove 21 contacts the diffusion layer 5C in the assembled state of the cell 10.
  • the channel groove 31 is formed on the surface in contact with the diffusion layer 5C in the assembled state of the cell 10, and the diffusion layer contact portion 31A and the surface in contact with the diffusion layer 5C.
  • the diffusion layer 5C is configured to have a pair of communication portions (communication flow channel grooves) 31B formed between the surfaces facing the periphery of the diffusion layer 5C.
  • the connecting portions 21B, 3IB are formed so as to connect the pair of mould holes 22, 33 and the diffusion layer abutting portions 21A, 31A.
  • the oxidant gas and the fuel gas branch from the fuel gas manifold hole 22 and the oxidant gas manifold hole 33 on the supply side into the connecting portions 21B and 31B, respectively, and flow into the contact portions of the diffusion layers.
  • 21A and 31A it contacts the diffusion layer 5C and causes an electrochemical reaction.
  • the surplus gas and reaction product components are discharged from the fuel gas manifold on the exhaust side via the connecting portions 21B and 31B connected to the fuel gas manifold hole 22 and the oxidant gas manifold hole 33 on the exhaust side. -Discharged into fold hole 22 and oxidant gas fold hole 33.
  • Gaskets 7 are disposed on the main surfaces on both sides of the frame 6 of the membrane electrode assembly 1.
  • the gasket 7 is arranged so that the oxidant gas and the fuel gas do not flow out from the predetermined flow channel grooves 21, 31 to the outside of the flow channel grooves 21, 31. That is, the gasket 7 is disposed so as to surround the periphery of the manifold holes 12, 13, and 14 and the periphery of the frame. Further, here, on the anode separator 2 side, in the assembled state of the cell 10, the gasket 7 is not disposed at the position where the connecting portion 21B of the fuel gas flow channel groove 21 abuts, and the fuel gas mould hole 12 The gasket 7 is disposed so that the membrane electrode assembly body 5 is integrally surrounded.
  • the gasket 7 is not disposed at the position where the connecting portion 31B of the oxidant gas flow channel 31 contacts, and the oxidant gas marker Fuel gas and oxidant gas flow between the fold hole 13 and the membrane electrode assembly body 5 and the oxidant gas flow between the fold gas hole 33 and the membrane electrode assembly body 5
  • the gasket 7 prevents the fuel gas passage 21 and the oxidant gas passage 31 from leaking out.
  • FIG. 1 for the convenience of explanation, the meander structure of the flow path grooves 21 and 31 of the diffusion layer abutting portions 21A and 31A of the gaskets 7, separators 2 and 3 is outlined. It is shown as a schematic configuration.
  • the M-fold is composed of V, a so-called external mould!
  • the fuel gas mould holes 12, 22, 32 and the oxidant gas mould holes 13, 23, 33 are formed in the membrane electrode assembly 1 and the separators 2, 3.
  • the connecting portions 21B and 31B of the fuel gas channel groove 21 and the oxidant gas channel 31 are extended to the end faces of the separators 2 and 3, respectively.
  • Pipes for supplying fuel gas and oxidant gas are branched and joined to the end faces of the separators 2 and 3, respectively.
  • the gasket 7 is arranged to extend to the end face of the frame 6 along the periphery of the connecting portions 21B and 31B of the fuel gas flow channel 21 and the oxidant gas flow channel 31. .
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the cell stack cross section in the cross-section taken along the line ⁇ in FIG.
  • the membrane electrode assembly main body 5 is composed of a polymer electrolyte membrane 5A that selectively transports hydrogen ions and a pair of electrode layers 5D formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 5A, that is, an electrode layer card for the anode and cathode. Consists of.
  • the electrode layer 5D has a two-layer structure of a catalyst layer 5B and a diffusion layer 5C.
  • the catalyst layer 5B is usually formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 5A mainly composed of carbon powder supporting a white metal catalyst.
  • the diffusion layer 5C has both air permeability and electronic conductivity formed on the outer surface of the catalyst layer 5B.
  • the catalyst layer 5B may have a two-layer structure of a C layer and a platinum carbon layer (not shown).
  • the diffusion layer 5C is configured to protrude from the periphery of the catalyst layer 5B (see FIG. 5A).
  • the reason why the diffusion layer 5C is provided so as to protrude from the catalyst layer 5B is to allow the fuel gas or the oxidant gas to spread over the entire surface of the catalyst layer 5B. That is, since the diffusion layer 5C is usually configured to be larger than the catalyst layer 5B, the entire surface of the catalyst layer 5B can be brought into contact with the diffusion layer 5C, and the fuel gas or the oxidant is entirely applied to the catalyst layer 5B. Ga Can be distributed.
  • the anode separator 2 and the force sword separator 3 have a flat plate shape, and the surface in contact with the membrane electrode assembly 1, that is, the inner surface is the shape of the membrane electrode assembly 1, more specifically, the frame. Steps 25 and 35 are provided so that the center portion protrudes in a trapezoidal shape so as to correspond to the step difference due to the difference in thickness between the body 6 and the membrane electrode assembly body portion 5.
  • the anode separator 2 and the force sword separator 3 are made of glassy carbon (thickness 3 mm) manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd. Pass through the separators 2 and 3, each manifold, and tan 22, 23, 2, 32, 33 and 34, and the bolt hole 4 penetrates in the thickness direction of the separators 2 and 3.
  • a fuel gas channel groove 21 and an oxidant gas channel 31 are formed on the inner surfaces of the separators 2 and 3, and a water channel groove 50 is formed on the back surface of the separators 2 and 3. .
  • Various manifold holes 22, 23, 24, 32, 33, 34, bolt holes 4, fuel gas channel grooves 31, water channel grooves 50, etc. are formed by cutting or molding.
  • the water channel groove 50 is formed so as to connect the two pairs of water-mould holes 24, 34. That is, each of the water branches from the one manifold, that is, the supply-side manifold, to the water channel groove 50, and flows to the other manifold, that is, the drain-side manifold.
  • the heat transfer capability of water can keep the cell 10 at a predetermined temperature suitable for the electrochemical reaction.
  • the water supply / discharge passage for cooling without forming the water-mould holes 14, 24, 34 in the peripheral portions of the separators 2, 3 and the membrane electrode assembly 1 is used. May have an external mould structure.
  • the cell 10 may be stacked by inserting a cooling unit in which cooling water circulates between adjacent cells without forming the water channel groove 51 on the back of the separators 2 and 3. Yo ...
  • the gasket 7 is composed of an elastic body, and is deformed when the membrane electrode assembly 1 and the separators 2 and 3 are pressed, and the periphery of the membrane electrode assembly body 5 and the periphery of the manifold hole 14 are sealed. Is done.
  • the fuel gas manifold hole 12 and the oxidant mould hole 13 are similarly sealed by the gasket 7 in the vicinity of each of the mould holes.
  • a gap 40 around the membrane electrode assembly main body portion is formed between the membrane electrode assembly main body portion 5 and the electrode layer 5D.
  • the gasket 7 also seals the gap 40 around the membrane electrode assembly main body, as will be described later.
  • Groove portions 6A are formed in portions where the annular portions 7A of the gasket 7 on both surfaces of the frame 6 extend, and the circulation portions 7A are formed so as to fill the groove portions 6A. This groove 6A can improve the bondability between the gasket 7 and the frame 6.
  • the frame body 6 is made of thermoplastic resin.
  • This thermoplastic resin is chemically clean and stable below the operating temperature of PEFC 100, and has a moderate elastic modulus and a relatively high weighted deflection temperature.
  • the compression elastic modulus of the frame body 6 is at least It is preferably 2000 MPa or more.
  • the elastic modulus means a compression elastic modulus measured by a compression elastic modulus measurement method defined in JIS-K7181.
  • the stagnation load temperature of the frame 6 is preferably 120 ° C or higher.
  • the frame 6 is preferably a crystalline resin rather than an amorphous resin.
  • a material having high mechanical strength and high heat resistance is preferable.
  • a so-called super-engineering plastic grade is suitable, and examples thereof include polyphenylene sulfide (PPS), polyether ether ketone (PEEK), and crystalline polymer (LCP) polyether-tolyl (PEN).
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEEK polyether ether ketone
  • LCP crystalline polymer
  • PEN polyether-tolyl
  • polypropylene (GFPP) filled with glass filler has an elastic modulus several times that of unfilled polypropylene (compression elastic modulus 1000-1500 MPa). In addition, it has a stagnation load temperature close to 150 ° C and can be suitably used.
  • glass filler-added PPS Dainippon Ink Co., Ltd. DIC—PPS FZ11 40-B2 which is a thermoplastic resin is used.
  • the gasket 7 is also composed of thermoplastic resin or thermoplastic elastomer.
  • This thermoplastic resin or thermoplastic elastomer is chemically stable under the operating conditions of PEFC100, and has hot water resistance such as no hydrolysis.
  • the gasket 7 preferably has a compressive elastic modulus of 200 MPa or less.
  • Suitable materials include polyethylene, polypropylene, polybutylene, polystyrene, polychlorinated butyl, polysalt vinylidene, polybutyl alcohol, polyacrylamide, polyamide, polycarbonate, polyarylene.
  • a general seal member 9 such as a squeezed packing having heat resistant material force is disposed around various mould holes.
  • FIG. 3 is a plan view showing the surface structure of the membrane electrode assembly of FIG. 1 on the anode separator side
  • FIG. 4 shows the surface structure of the membrane electrode assembly of FIG. 1 on the force sword separator side.
  • the alternate long and short dash line indicates the position where the fuel gas channel 21 and the oxidant gas channel 31 of the anode separator 2 and the force sword separator 3 are in contact with or opposed to each other in the assembled state of the cell 10. .
  • the membrane electrode assembly 1 of the present embodiment is provided with a frame body 6 at the peripheral edge of the membrane electrode assembly body portion 5, and both the main surface and the height of the frame body.
  • a gasket 7 is provided over the peripheral edge 5E of the molecular electrolyte membrane 5A.
  • the frame body 6 is a rectangular frame body that sandwiches the polymer electrolyte membrane 5A of the membrane electrode assembly body 5 (see FIG. 2) and is joined to the outer edge of the polymer electrolyte membrane 5A. .
  • the frame 6 includes a pair of fuel gas mould holes 12, a pair of oxidant mould holes 13, and two pairs of water moulds so as to penetrate the frame in the thickness direction. Holes 14 and four bolt holes 4 are provided near the corners of the frame 6.
  • the frame 6 is configured as a rectangular flat plate having an outer shape of 200 mm ⁇ 180 mm and an opening 26 of 124 mm square.
  • the thickness of the frame body 6 is 0.8 mm.
  • the gasket 7 includes a pair of fuel gas manifold holes 12 and a pair of oxidant gas manifolds.
  • An annular portion 7A that surrounds the hole 13 and the two pairs of water-moulded holes 14 and surrounds the diffusion layer 5C of the membrane electrode assembly body 5 is provided.
  • an annular portion 7A is formed so as to integrally surround the fuel gas manifold hole 12 and the membrane electrode assembly main body portion 5, and as shown in FIG.
  • an annular portion 7A is formed so as to surround the oxidant gas manifold hole 13 and the membrane electrode assembly main body portion 5.
  • the annular portion 7A of the gasket 7 causes the flow resistance of the connecting portions 21B, 31B of the fuel gas flow channel 21 and the oxidant gas flow channel 31, but the communication portions 21B, Annular part abutting 31B 7A force It is located in the part where the steps 25 and 35 of each separator 2 and 3 are provided, and the depth of the groove provided in each separator 2 and 3 is Since it is sufficient, it does not hinder the flow path of fuel gas and oxidant gas.
  • the annular portion 7A of the gasket 7 does not have to be disposed at a position where the connecting portions 21B and 31B of the fuel gas passage groove 21 and the oxidant gas passage groove 31 abut. .
  • the channel resistance of the connecting portions 21B and 31B of the fuel gas channel groove 21 and the oxidant gas channel groove 31 can be further reduced.
  • FIG. 5A is a cross-sectional perspective view of a boundary portion between the gasket and the electrode layer of the membrane / electrode assembly. Between the annular portion 7A and the electrode layer 5D of the membrane electrode assembly main body portion 5, the steps 25 and 35 of the generators 2 and 3 are formed so as to be in close contact with each other without any gap.
  • the annular portion 7A of the gasket 7 is formed in an annular shape covering the peripheral edge portion 5E along the inner edge of the frame body 6 on each main surface of the frame body 6.
  • the surface 71 of 7A is formed along the steps 25 and 35 of the anode separator 2 and the force sword separator 3, and when the membrane electrode assembly and the separators 2 and 3 are combined, the annular portion The gap is not formed between the surface and the surfaces of the separators 2 and 3.
  • a gap is formed between the diffusion layer 5C and the polymer electrolyte membrane 5A where the diffusion layer 5C protrudes from the periphery of the catalyst layer 5B.
  • a gap filling portion 7B of the gasket 7 is also provided in the gap as will be described later.
  • the annular portion 7A is thus configured, and the membrane electrode assembly main body gap 40, which is the gap between the frame 6 and the electrode layer 5D, is completely sealed, so that the fuel can be burned from each of the molds. Completely prevents fuel gas and oxidant gas from flowing into the other mold through the gap 40 around the membrane electrode assembly main body without passing through the fuel gas channel 21 and the oxidant gas channel 31. be able to. Further, by forming the annular portion 7A along the steps 25 and 35 of the anode separator 2 and the cathode separator 3, a gap is formed between the membrane electrode assembly 1 and the anode separator 2 and the force sword separator 3. Without this, leakage of fuel gas and oxidant gas can be prevented.
  • the gap filling portion 7B filling the gap of the electrode layer 5D causes the fuel gas or the oxidant gas to short-circuit through the gap generated by the difference in size between the diffusion layer 5C and the catalyst layer 5B. It is prevented. By filling the gap with the gap filling portion 7B, the fuel gas or the oxidant gas is prevented from moving through the gap.
  • a rib 7C is formed so as to extend along the extending direction.
  • the rib 7C is crushed by the abutting separator when the cell 10 is assembled.
  • the fastening force of the cell 10 is concentrated on the rib 7C, the periphery of each of the manifold holes 12, 13, 14 and the membrane electrode assembly main body 5 can be more reliably sealed. That is, the fluid passing through each of the mold holes 12, 13 and 14 is at a high pressure.
  • the gasket 7 is more securely sealed. Leakage can be prevented.
  • the position B where the rib 7C is provided is closer to the center than the outer end A of the polymer electrolyte membrane 5A supported by the frame 6.
  • the pressing pressure is concentrated at the position where the polymer electrolyte membrane 5A is provided, and from the gap between the polymer electrolyte membrane 5A and the frame body 6. It is possible to prevent the fuel gas or oxidant gas from being short-cut to the opposite side.
  • the gap filling portion 7B is a portion that fills the gap between the protruding portion of the diffusion layer 5C and the polymer electrolyte membrane 5A.
  • the gap filling layer 7B is formed by the molten resin entering the gap when the gasket 7 is molded by injection molding. Therefore, as described below, it is preferable that the protruding width of the protruding portion of the diffusion layer 5C has a predetermined value as described later.
  • FIG. 5B is a partially enlarged cross-sectional view showing the configuration of the electrode layer of the membrane / electrode assembly body 5.
  • the catalyst layer 5B is formed, for example, as follows. Platinum is supported on Ketjen Black EC (furnace black, manufactured by KETJEN BLACK INTERNATIONAL, specific surface area 800m 2 Zg, DPB lubrication amount 360mlZl00g) at a weight ratio of 1: 1. Next, 35 g of water and 59 g of an alcohol dispersion of hydrogen ion conductive polymer electrolyte (Asahi Glass Co., Ltd., 9% FSS) 59 g are mixed with 10 g of this catalyst powder, and dispersed using an ultrasonic stirrer to form a catalyst layer. Make ink.
  • Ketjen Black EC furnace black, manufactured by KETJEN BLACK INTERNATIONAL, specific surface area 800m 2 Zg, DPB lubrication amount 360mlZl00g
  • this catalyst layer ink is spray-coated on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 5A to a thickness of 20 m, and then heat-treated at 115 ° C. for 20 minutes to form the catalyst layer 5B.
  • the polymer electrolyte membrane 5 A is covered with a mask having an opening of 120 mm ⁇ 120 mm.
  • a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (DUPONT Nafionll7 (registered trademark)) having an outer diameter of 140 mm square and a thickness of 50 ⁇ m is used for the polymer electrolyte membrane 5A.
  • the diffusion layer 5C is formed on the catalyst layer 5B.
  • the diffusion layer 5C is composed of a porous body having a large number of fine pores.
  • 123 mm carbon fiber cloth (Carbel CL400 manufactured by JAPAN GORE-TEX, thickness 400 m) is placed on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 5A to which the catalyst layer 5B is applied. Then, this carbon fiber cloth is hot-pressed under conditions of pressure 0.5 MPa, 135 ° C. for 5 minutes, so that it diffuses so as to be bonded onto the catalyst layer 5B on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane 5A. A layer is formed.
  • the protrusion width A of the diffusion layer 5C is shorter than the thickness width B of the diffusion layer 5C.
  • the gap 5F provided below the diffusion layer 5C in the gasket 7 formation process (see FIG. 6 (d)) described later.
  • the thermoplastic elastomer constituting the gasket 7 can be easily injected and injected to facilitate the formation of the gap filling layer 7B. That is, when the protrusion width A increases, the depth width of the gap 5F increases, and the thermoplastic elastomer is injected to the depth of the gap 5F. It's hard to get it.
  • thermoplastic elastomer makes it easier for the protruding portion of the diffusion layer to stagnate on the polymer electrolyte membrane 5A side, and the injection port of the thermoplastic elastomer in the gap 5F becomes narrow. As a result, the gap filling layer 7B is formed.
  • the annular portion 7A of the gasket may be configured to partially cover the surface of the diffusion layer 5C. It is preferable that the covering portion 7D is formed only on the protruding portion of the diffusion layer 5A.
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram schematically showing each manufacturing process of the membrane-electrode assembly in the cross-section taken along the line VI-VI in FIGS.
  • a molded member 6C that is a part of the frame 6 is molded.
  • the molding member 6C that is, the gap between the first mold T1 and the second mold T2
  • the thermoplastic resin of the frame 6 is poured by injection or the like, and the molded member 6C is molded.
  • the molded member 6C has a flat portion 6C1 in which the peripheral edge portion 5E of the membrane electrode assembly main body portion 5 is disposed at the inner edge of the frame.
  • the first mold T1 is configured such that the frame body portion T1C has a shape corresponding to the shape of the molding member 6C, that is, the lower half surface of the frame body 6.
  • a flat portion T1B in which the peripheral edge portion 5E of the membrane electrode assembly main body portion 5 can be disposed is configured in the frame portion of the first mold T1. That is, the flat portion T1B has a top surface extending from the inner edge side of the frame body portion T1C substantially in parallel with the frame surface S of the molded member 6C, that is, the frame body 6.
  • a recessed portion T1A is formed in the portion of the frame of the first mold T1 so that the membrane electrode assembly body 5 can be accommodated and disposed on a plane.
  • the indented part Tl A is an area extending about several millimeters from the outer edge of the diffusion layer 5C in the inner part of the frame of the first mold T1 formed by extending the top surface of the flat part T1B.
  • the bottom is a flat surface having a depth of about the thickness of the catalyst layer 5B and the diffusion layer 5C of the membrane electrode assembly body 5 with reference to the top surface of the flat portion T1B.
  • the second mold T2 is configured such that the frame body portion T2C molds the molding member 6C, that is, the upper half surface of the frame body 6.
  • the flat portion T2B is configured at the inner edge portion of the frame of the second mold T2 so that the peripheral edge portion 5E of the membrane electrode assembly main body portion 5 can be disposed.
  • the flat part T2B is in contact with the top surface of the flat part T1B of the first mold T1, and is bonded to the membrane electrode toward the outer edge of the frame. It has a top surface that extends beyond the width of the peripheral edge 5E of the body 1.
  • the frame portions T1C and T2C protrude to a position where the gasket 7 is disposed, that is, a position surrounding the mould holes 12, 1 3, 14 and surrounding the inside of the frame 6.
  • Portions T1D and T1D are formed.
  • the cross sections of the convex portions T1D and T2D have a depth of about 0.5 mm and a width of about 0.5 mm.
  • the groove 6A is formed in the molded member 6C, that is, the frame 6.
  • the frame body portions T1C and T2C may be configured not to have the convex portions T1D and T2D, and may be processed so that the groove portion 6A is formed by cutting after the frame body 6 is completed.
  • the frame body portions T1C and T2C have shapes that form the mould holes 12, 13, and 14. As a result, the mould holes 12, 13 and 14 are formed by the molding cage.
  • the frame body portions T1C and T2C are configured not to have the shape of the mould holes 12, 13, and 14, and the frame body 6 is formed with the mould holes 12, 13, and 14 by cutting or punching. You can do it in Karoe.
  • the second mold T2 is also removed from the molding member 6C, and the frame of the molding member 6C in which the membrane electrode assembly body 5 is fitted to the first mold T1.
  • the peripheral portion 5E of the membrane electrode assembly main body 5 is disposed on the flat surface 6C1.
  • the polymer electrolyte membrane 5A covered with the protective film 5D extending around the membrane electrode assembly body portion 5B is located on the flat portion 6C1 of the political department 6C.
  • the diffusion layer 5C is arranged so as to be located in the indented portion T1A of the first mold T1.
  • the membrane electrode assembly body 4 is arranged in a planar state.
  • the frame body 6 to which the membrane / electrode assembly body 5 is bonded is manufactured.
  • the third mold T3 is joined to the first mold T1 in which the molding member 6C on which the membrane electrode assembly main body 5 is disposed is fitted.
  • the third mold T3 has a recess T3A formed at the position where it interferes with the diffusion layer 5C so that the diffusion layer 5C and the third mold T3 are in contact with each other.
  • the recessed portion T3A has the same shape as the recessed portion T1A.
  • the third mold T3 and the diffusion layer 5C do not interfere with each other at the time of the third term, so that the membrane electrode assembly body 5 can be prevented from being damaged.
  • the thermoplastic resin of the frame 6 is poured into the gap between the first mold T1 and the third mold T3, that is, the position of the membrane electrode assembly main body fixing portion 6D by injection or the like, and the molded member 6C And the frame 6 is formed integrally.
  • the third mold T3 is configured such that the portion of the flat portion 6C1 of the molded member 6C has the shape of the upper half surface of the frame body 6. That is, the membrane electrode assembly main body fixing portion 6D is formed in the gap formed between the frame portion T3B of the third mold T3 and the molding member 6C.
  • the peripheral edge portion 5E of the membrane electrode assembly main body portion 5 arranged on the flat portion 6C1 of the molded member 6C is heated between the membrane material and the membrane electrode assembly main body fixing portion 6D and the molded member 6C. It is fused with the flat part 6C1. Thereby, the membrane electrode assembly body 5 is joined to the frame 6.
  • the gasket is attached to the frame 6 to which the membrane electrode assembly main body 5 is joined.
  • the membrane electrode assembly 1 is manufactured.
  • the frame body 6 joined with the membrane electrode assembly body 5 is removed from the first mold T1 and the third mold T3, and the fourth mold T4 and the fifth mold. Located between T5, both molds are closed.
  • the thermoplastic resin of the gasket 7 or the thermoplastic elastomer is poured into the gap between the fourth mold T4 and the fifth mold T5 and the frame body 6 by injection or the like, and the gasket 7 is formed on both surfaces of the frame body 6.
  • the fourth mold T4 and the fifth mold T5 are configured so that the annular portion of the gasket is molded.
  • the annular portion 7A of the gasket 7 is provided between the inner edge of the frame body 6 and the electrode layer 5D provided on the membrane electrode assembly main body portion 5, and a thermoplastic elastomer which is a molten resin at the portion.
  • a thermoplastic elastomer which is a molten resin at the portion.
  • the manufacturing method of the membrane electrode assembly 1 according to the present embodiment is formed except that the membrane electrode assembly 1 is disposed in the second step except that the membrane electrode assembly body 5 is disposed. It is processing. Accordingly, the membrane / electrode assembly 1 is manufactured in the molding machine, and in the second step, the membrane / electrode assembly main body 5 manufactured in advance can be manufactured simply by placing it in the molding machine and arranging it. Therefore, the manufacturing method according to this embodiment has high utilization efficiency of fuel gas and oxidant gas, and is suitable for mass production of the membrane electrode assembly 1.
  • FIG. 7A is an enlarged partial cross-sectional view of a membrane electrode assembly according to a modification.
  • the end surface 51 of the diffusion layer 5C is tapered.
  • FIG. 7B is an enlarged partial cross-sectional view of a membrane electrode assembly that is useful for a further modification.
  • the position of the electrode layer 5D is shifted on the front and back sides of the polymer electrolyte membrane 5A.
  • the position of the inner edge of the frame body 6 on the front and back sides is such that the width of the gap 40 around the membrane electrode assembly main body between the inner edge of the frame body 6 and the electrode layer 5D is uniform on the front and back sides.
  • the structure is changed.
  • the present invention can block the flow of the fuel gas and the oxidant gas at the periphery of the membrane electrode assembly main body, and thus the fuel gas and the oxidant. Since the gas utilization efficiency can be increased, it is useful as a fuel cell for cogeneration systems and electric vehicles.

Abstract

　高分子電解質膜の露出を防止することができる燃料電池用膜電極接合体を提供する。高分子電解質膜（５Ａ）、及び該高分子電解質膜の周縁部より内側の両表面に触媒層（５Ｂ）と、前記触媒層から周縁が突出した拡散層（５Ｃ）とが積層された一対の電極層（５Ｄ）とを備え、前記拡散層（５Ｃ）の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との間に隙間（５Ｆ）が形成されている膜電極接合体本体部（５）と、前記高分子電解質膜（５Ａ）の周縁部を一対の電極層（５Ｄ）に対し間隔（４０）を有して挟みかつ該高分子電解質膜（５Ａ）の外縁を囲むように形成された枠体（６）と、前記枠体の両面それぞれにおいて熱可塑性樹脂からなるガスケット（７）を備える。ガスケット（７）は、前記枠体の内縁に沿って前記膜電極接合体本体部の周縁部を全周にわたって被覆する環状部（７Ａ）と、前記隙間（５Ｆ）内を充填する隙間充填部（７Ｂ）とを備える。

Description

明 細 書
燃料電池用膜電極接合体、高分子電解質型燃料電池用セル、高分子電 解質型燃料電池及び膜電極接合体の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法及び 高分子電解質型燃料電池に関する。特に、膜電極接合体本体部の周縁部にガスケ ットが接合された膜電極接合体、高分子電解質型燃料電池用セル、高分子電解質 型燃料電池及び膜電極接合体の製造方法に関する。
背景技術
[0002] 高分子電解質型燃料電池 (以下、 PEFCと 、う）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。
[0003] PEFCは、一般的には、セルを積層させて構成されている。 1つのセルは、膜電極 接合体を一対の板状の導電性のセパレータ、具体的には、アノードセパレータとカソ ードセパレータで挟んで構成されている。膜電極接合体は、膜電極接合体本体部と 当該膜電極接合体本体部の周縁部に延在し膜電極接合体本体部を包囲して配設 された枠体を備えている。膜電極接合体本体部は、高分子電解質膜とその両面に形 成された一対の電極層によって構成されている。そして、電極層の両面に、それぞれ 燃料ガスと酸化剤ガスとが接触して、電気化学反応が発生する。一方、枠体は、ガス ケットを備えており、当該ガスケットとセパレータの間がシールされ、燃料ガス及び酸 ィ匕剤ガスの外部への漏出が遮断あるいは抑制されている。
[0004] この構成を有する燃料電池セルとしては、例えば、特開 2001— 155745号公報や 特許第 3368907号公報に開示されている。特開 2001— 155745号公報に開示さ れて ヽる燃料電池セルは、膜電極接合体本体部の端面を覆って当該端面をシール するように成形されたガスケットについて開示されている。しかし、当該ガスケットでは 、電極層の周縁部に過不足なく均一に密着するシール材を配設するのに手間を要し 、大量生産には適さない。また、ガスケットが膜電極接合体本体部の電極層の端面を 覆っているため、当該ガスケットに覆われた端面の部分は発電に寄与せず、効率を 低下させるという問題が生じる。
[0005] このため、膜電極接合体本体部の電極の端部を覆わな!/ヽようにガスケットを設ける ことにより、当該ガスケットにより電極層の全面を発電に用いることができる。特許第 3 368907号公報の図 3に開示されている膜電極接合体は、電極層とガスケット（ガス シール材)との間に隙間を設けた膜電極接合体について開示する。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] しかし、特許第 3368907号公報の図 3に開示されている膜電極接合体では、膜電 極接合体本体部を構成する高分子電解質膜が当該隙間から表面に露出する。高分 子電解質膜が表面に露出すると燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差によって電解質膜 が破れてガスのシール機能が失われることが開示されている。このため特許第 3368 907号公報では、当該高分子電解質膜が露出する部分にシート状の保護層を設け ることとして!/、る。
[0007] しかし、当該保護層は、高分子電解質膜の表面の電極層周縁まで隙間なく配設す ることは製造上困難であり、電極層の下側に一部を挿入するようにして設けられてい る（特許第 3368907号公報の図 2参照)。このように保護層を設けることにより、高分 子電解質膜の強度は向上するが、当該高分子電解質膜と電極層とが直接接触しな い部分においては、発電に寄与することができず、結果的に発電効率の向上にはつ ながらない。
[0008] 力かる問題を解消すべく出願人は、先にした出願（2005— 105742号、未公開）に おいて、枠体の内縁に沿って実質的に環状に形成された環状部、及び該環状部か ら枠体の内縁部及び高分子電解質膜の周縁部の上を通って電極層の側面に接合 するように延伸して形成された延伸部を有するガスケットの構造にっ 、て開示した。こ の構成により、当該出願の図 6 (d)に示すように、高分子電解質膜が表面に露出する ことがなぐ上記問題が解消される。
[0009] しかし、電極層は、通常 1層構造で構成されているのではなぐ高分子電解質膜の 上に触媒層、 C層、ガス拡散層が積層された多層構造である。そして、触媒層の有効 利用を図るために、通常ガス拡散層は触媒層よりも大きく構成されており、触媒層の 周縁から突出するように配置される。そして、当該ガス拡散層の突出部分によって、 電極層の側面は面一に構成されておらず、実際は当該部分がガスケットによって被 覆されることなぐ高分子電解質膜が露出した状態となっていた。当該拡散層の突出 部分の下側に位置する隙間には、拡散層を通過した燃料ガスと酸化剤ガスが入り込 み、当該隙間を通って燃料ガスと酸化剤ガスが漏出する原因にもなつていた。
[0010] したがって、本発明が解決しょうとする技術的課題は、上記問題を解消すベぐ高 分子電解質膜の露出を防止することができる燃料電池用膜電極接合体、高分子電 解質型燃料電池用セル、高分子電解質型燃料電池及び膜電極接合体の製造方法 を提供することである。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
本発明の第 1態様によれば、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の両表面の周 縁部より内側の中央領域に、それぞれ触媒層と該触媒層よりも面積が大きく前記触 媒層から周縁が突出した拡散層とが積層された一対の電極層とを備え、前記拡散層 の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との間に隙間が設けられた膜電極接合体本 体部と、
前記高分子電解質膜の周縁部を前記一対の電極層に対し間隔を有して挟みかつ 該高分子電解質膜の外縁を囲むように形成された板状の熱可塑性榭脂製の枠体と 前記枠体の両面それぞれに設けられた熱可塑性榭脂製のガスケットとを備え、 前記ガスケットは、前記枠体の内縁に沿って設けられ、前記枠体の内縁から前記間 隔を被覆する環状部と、前記環状部に設けられ前記枠体の内縁に沿って延在するリ ブと、前記拡散層の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との間の隙間内を充填す る隙間充填部とを備える、燃料電池用膜電極接合体を提供する。
[0012] 本発明の第 2態様によれば、前記枠体の内縁に沿って延在するリブが設けられて いる位置は、前記枠体に挟持される前記高分子電解質膜の外周端よりも内側となる ように構成されて 、る、第 1態様の燃料電池用膜電極接合体を提供する。 [0013] 本発明の第 3態様によれば、前記拡散層は、前記突出部分の突出幅が、前記拡散 層の厚み幅より短い、第 1態様の燃料電池用膜電極接合体を提供する。
[0014] 本発明の第 4態様によれば、前記拡散層は、前記突出部分の端面が前記触媒層 側が短くなる方向にテーパー状に構成されている、第 1態様の燃料電池用膜電極接 合体を提供する。
[0015] 本発明の第 5態様によれば、前記高分子電解質膜の両表面にそれぞれ設けられた 電極層は、その位置が表裏面でそれぞれずれて配置されており、前記間隔の位置 が表裏方向で異なる、第 1態様の燃料電池用膜電極接合体を提供する。
[0016] 本発明の第 6態様によれば、前記枠体は、燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ膜電 極接合体本体部に供給するための、マ-フォルド孔対を備えており、前記ガスケット の環状部は、前記マ-フォルド孔の周囲に設けられている、第 1態様の燃料電池用 膜電極接合体を提供する。
[0017] 本発明の第 7態様によれば、第 1態様の膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟 むように配設されたアノードセパレータ及び力ソードセパレータとを有し、
前記アノードセパレータ及び力ソードセパレータは、前記膜電極接合体本体部の周 囲に設けられた環状部に当接する環状部当接部分が、前記環状部の外郭形状と同 形状に設けられ、前記環状部と前記環状部当接部分との間に隙間を生じさせないよ うに構成されて!ヽる高分子電解質型燃料電池用セルを提供する。
[0018] 本発明の第 8態様によれば、第 7態様の高分子電解質型燃料電池用セルを 2以上 積層されて構成されて!ヽる、高分子電解質型燃料電池を提供する。
[0019] 本発明の第 9態様によれば、高分子電解質膜の周縁部より内側の両表面に触媒層 を設け、当該触媒層の表面に該触媒層よりも大きい面積を有し前記触媒層から周縁 が突出して形成された拡散層を積層状態に配置して、前記拡散層の突出部分と高 分子電解質膜の周縁部との間に隙間が形成されている膜電極接合体本体部を作製 し、
第 1金型と第 2金型との間に熱可塑性榭脂を流し込んで、枠内縁に平坦部が形成 された枠状の成形部材を成形し、
当該膜電極接合体本体部の周縁部が前記平坦部に位置するように前記膜電極接 合体本体部が前記成形部材の枠内に配置された前記成形部材が嵌合した状態の 第 1金型に第 3金型を接合して、前記第 1金型と前記第 3金型との間に熱可塑性榭脂 を流し込んで、前記膜電極接合体本体部が接合された状態の枠体を成形し、 前記膜電極接合体本体部が接合された枠体を間に挟みながら、第 4金型及び第 5 金型を接合して、前記第 4金型と第 5金型との間に溶融榭脂を流し込んで、前記枠体 の内縁に沿って設けられ、前記枠体の内縁から前記拡散層の外縁までを被覆する 環状部と、前記環状部に設けられ前記枠体の内縁に沿って延在するリブと、前記拡 散層の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との間の隙間内を充填する隙間充填部 とを備えるガスケットを成型する、膜電極接合体の製造方法を提供する。
発明の効果
[0020] 本発明によれば、枠体の内縁に沿って設けられ、枠体の内縁から拡散層の外縁ま でを被覆する環状部が存在するため、枠体と拡散層の間に隙間が形成されることが ない。また、環状部は、枠体の内縁から拡散層の外縁までに設けられており、拡散層 を被覆しないため、燃料ガス及び酸化剤ガスに接触可能な拡散層の表面面積を狭 めることがなぐ発電効率を高く維持することができる。
[0021] さらに、拡散層と高分子電解質膜との間の隙間を充填する隙間充填部が設けられ ているため、枠体側カゝら送られる燃料ガス及び酸化剤ガスが拡散層を通って拡散層 の突出部分力も高分子電解質膜との間の隙間に流れ込むことがなぐ触媒層に接触 することなくショートカットすることを防止することができる。
したがって、燃料利用率を向上させることができ、安定した発電を行うことができる。 また、環状部の頂面にリブを設けることにより、膜電極接合体とセパレータの間の密 閉性を高めることができる。
[0022] また、環状部の頂面に設けられたリブにより、セパレータと各電極接合体との間の密 閉性を高めることができる。また、リブが設けられている位置が、高分子電解質膜の 周端よりも内側に設けられることにより、セパレータとの組み合わせ時にリブに加わる 圧力によって枠体が高分子電解質膜を押圧し、高分子電解質膜と枠体間の隙間か ら燃料ガス又は酸化剤ガスが反対側面にショートカットすることを防止することができ る。 図面の簡単な説明
[0023] 本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形 態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
[図 1]図 1は、本発明の実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池の模式的な構造 を示す一部分解斜視図であり、
[図 2]図 2は、図 1の Π-Π線断面におけるセルの積層断面を示す一部分解断面図であ り、
[図 3]図 3は、図 1の膜電極接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図 であり、
[図 4]図 4は、図 1の膜電極接合体の力ソードセパレータ側の表面構造を示す平面図 であり、
[図 5A]図 5Aは、膜電極接合体のガスケットと電極層との境界部分における断面斜視 図であり、
[図 5B]図 5Bは、膜電極接合体本体部の電極層の構成を示す部分拡大断面図であ り、
[図 5C]図 5Cは、変形例にカゝかる膜電極接合体本体部の電極層の構成を示す部分 拡大断面図であり、
[図 6]図 6は、図 3及び図 4の VI-VI線断面において、膜電極接合体の各製造工程を 概略的に示す製造工程図であり、
[図 7A]図 7Aは、変形例に力かる膜電極接合体の部分断面拡大図であり、
[図 7B]図 7Bは、さらなる変形例に力かる膜電極接合体の部分断面拡大図である。 発明を実施するための最良の形態
[0024] 本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号 を付している。以下、図面を参照して本発明における第 1実施形態を詳細に説明す る。
[0025] 図 1は、本発明の第 1実施形態の高分子電解質型燃料電池の構造を、一部を分解 して模式的に示す斜視図である。
[0026] 図 1に示すように高分子電解質型燃料電池 (PEFC) 100は、セル 10を積層させて 構成されている。なお、図示しないが、セル 10の両端の最外層には、集電板、絶縁 板、エンドプレートが取り付けられ、セル 10は両端から、ボルト孔 4を揷通される締結 ボルトとナット（ともに図示なし）とで締結されて構成されている。本実施形態では、セ ル 10は 60個積層されて、ボルト孔 4に揷通されるボルトとナットとが締結力 10kNで 締結されている。
[0027] セル 10は、膜電極接合体 1の両面周縁部の枠体 6、より正確には、ガスケット 7を一 対の導電性のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ 2及び力ソードセパレータ 3 で挟んで構成されている。これによつて、膜電極接合体本体部 5の電極層の最も外 側に設けられた拡散層 5c (図 2参照）がセパレータ 2, 3の表面と当接し、アノードセ パレータ 2の燃料ガス流路溝 21の拡散層当接部 21A及び力ソードセパレータ 3の酸 ィ匕剤ガス流路溝 31の拡散層当接部 31 Aと拡散層 5Cで、燃料ガス流路及び酸化剤 ガス流路が画定される。これにより、拡散層当接部 21Aを流通する燃料ガスはァノー ドでセパレータ 2側の拡散層 5Cに接触して PEFC100の電気化学反応を生じさせる 。また、積層されたセル 10においては、隣接した膜電極接合体本体部 5が互いに電 気的に直列、または並列に接続される。
[0028] セパレータ 2, 3及び膜電極接合体 1の周縁部、すなわち、枠体 6に燃料ガス及び 酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、燃料ガスマ-フォルド孔 1 2, 22, 32及び、酸ィ匕剤マニフォノレド孑し 13, 23, 33力 ^設けられている。セノレ 10力 ^積 層された状態では、これら貫通孔が積層して、燃料ガスマ-フォルド及び酸化剤マ- フォルドを形成する。
[0029] そして、アノードセパレータの内側の主面には、一対の燃料ガスマニフォルド孔 22 、 22間を結ぶようにして燃料ガス流路溝 21が設けられている。力ソードセパレータ 3 の内側の主面には、一対の酸化剤ガスマ-フォルド孔 33, 33間を結ぶようにして酸 ィ匕剤ガス流路溝 31が形成されている。つまり、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞ れ一方のマ-フォルド、すなわち供給側のマ-フォルドから、流路溝 21, 31に分岐し て、それぞれの他方のマ-フォルド、すなわち、排出側のマ-フォルドに流通するよう に構成される。
[0030] そして、燃料ガス流路溝 21は、セル 10の組立状態において、拡散層 5Cと当接す る表面に形成されている拡散層当接部 21A及び拡散層 5Cに当接する表面と拡散 層 5Cの周囲に対向する表面との間にかけて形成されている一対の連絡部 (連絡用 流路溝） 21 Bを有して構成される。同様にして、流路溝 31は、セル 10の組立状態に ぉ 、て拡散層 5Cと当接する表面に形成されて!、る拡散層当接部 31 A、及び拡散層 5Cに当接する表面と拡散層 5Cの周囲に対向する表面との間にかけて形成されてい る一対の連絡部 (連絡用流路溝） 31Bを有して構成される。ここでは、連絡部 21B、 3 IBは、一対のマ-フォルド孔 22, 33と拡散層当接部 21A, 31Aとを結ぶように形成 されている。これによつて、酸化剤ガスと燃料ガスとは、それぞれ供給側の燃料ガスマ ニフォルド孔 22及び酸化剤ガスマ-フォルド孔 33から連絡部 21B、 31Bに分岐して 流入し、それぞれ拡散層当接部 21A、 31Aにおいて拡散層 5Cに接触し、電気化学 反応を起こす。そして、それらの余剰のガスや反応生成成分は、排出側の燃料ガス マ-フォルド孔 22及び酸化剤ガスマ-フォルド孔 33に接続されている連絡部 21B、 31Bを経由して排出側の燃料ガスマ-フォルド孔 22及び酸化剤ガスマ-フォルド孔 33に排出される。
膜電極接合体 1の枠体 6の両側主面にはガスケット 7が配設されている。ガスケット 7 は、酸化剤ガスと燃料ガスとが、所定の流路溝 21, 31から流路溝 21, 31外へ流出し ないように配設されている。すなわち、ガスケット 7は、マニフォルド孔 12, 13, 14の 周囲及び枠の周囲を包囲するようにして配設されている。また、ここでは、アノードセ パレータ 2側では、セル 10の組立状態において、燃料ガス流路溝 21の連絡部 21B が当接する位置には、ガスケット 7が配設されず、かつ燃料ガスマ-フォルド孔 12と 膜電極接合体本体部 5とが一体的に包囲されるようにガスケット 7が配設されている。 同様に、力ソードセパレータ 3側では、セル 10の組立状態において、酸化剤ガス流 路溝 31の連絡部 31Bが当接する位置には、ガスケット 7は配設されておらず、かつ 酸化剤ガスマ-フォルド孔 13と膜電極接合体本体部 5との間を流通する燃料ガス及 び酸化剤ガスマ-フォルド孔 33と膜電極接合体本体部 5との間を流通する酸化剤ガ スの支障とならず、かつ、ガスケット 7によって、燃料ガス流路 21及び酸化剤ガス流路 31外への漏出が防止される。なお図 1においては、説明の都合上ガスケット 7,セパ レータ 2, 3の拡散層当接部 21A, 31Aの流路溝 21, 31の蛇行構造については概 略構成として示している。
[0032] なお、マ-フォルドは、 V、わゆる外部マ-フォルドによって構成されて!、てもよ!/、。
外部マ-フォルドの構成を採用する場合は、膜電極接合体 1及びセパレータ 2, 3に は、燃料ガスマ-フォルド孔 12, 22, 32及び酸化剤ガスマ-フォルド孔 13, 23, 33 は形成されずに、燃料ガス流路溝 21及び酸化剤ガス流路 31の連絡部 21B, 31Bが それぞれのセパレータ 2, 3の端面まで延伸される。そして、燃料ガス及び酸化剤ガス をそれぞれ供給する配管が、各々のセパレータ 2, 3の端面に分岐して接合されて構 成される。外部マ-フォルドの場合、ガスケット 7は燃料ガス流路溝 21及び酸化剤ガ ス流路溝 31の連絡部 21B, 31Bそれぞれの周囲に沿って枠体 6の端面まで延伸し て配設される。
[0033] また、セパレータ 2, 3及び膜電極接合体 1の周縁部に、燃料ガスマ-フォルド孔 12 , 22, 32及び酸化剤ガスマ-フォルド孔 13, 23, 33と同様に、冷却水が流通する二 対のマ-フォルドを形成する水マ-フォルド孔 14, 24, 34が設けられている。これに よって、セル 10が積層された状態では、これらマ-フォルド孔はそれぞれ積層して二 対の水マ-フォルドが形成される。
[0034] 図 2は、図 1の Π-Π線断面におけるセルの積層断面を一部を分解して示す断面図 である。膜電極接合体本体部 5は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜 5A及び高分子電解質膜 5Aの両面に形成された一対の電極層 5D、すなわちァノー ドとカソードの電極層カゝら構成される。電極層 5Dは、触媒層 5Bと拡散層 5Cとの 2層 構成である。触媒層 5Bは、通常、白金属金属触媒を担持したカーボン粉末を主成 分とし、高分子電解質膜 5Aの表面に形成される。拡散層 5Cは、触媒層 5Bの外面に 形成される通気性と電子導電性を併せ持つ。なお、触媒層 5Bは、図示しない C層と 白金カーボン層との 2層構造となって 、てもよ 、。
[0035] また、拡散層 5Cは触媒層 5Bの周縁から突出するように構成されている（図 5A参照 )。このように拡散層 5Cが触媒層 5Bよりも突出して設けられているのは、触媒層 5Bの 表面全体に燃料ガス又は酸化剤ガスを行き渡らせるためである。すなわち、拡散層 5 Cが触媒層 5Bよりも通常大きく構成されていることにより、触媒層 5Bの表面全体を拡 散層 5Cと接触させることができ、触媒層 5Bの全面にわたって燃料ガス又は酸化剤ガ スを行き渡らせることができる。
[0036] アノードセパレータ 2及び力ソードセパレータ 3は、平板状であって、膜電極接合体 1と接触する側の面、すなわち内面は、膜電極接合体 1の形状、より具体的には、枠 体 6と膜電極接合体本体部 5との厚みの違いによる段差に応じるようにして、中央部 が台形状に突出するように段差 25、 35を有している。ここで、アノードセパレータ 2及 び力ソードセパレータ 3は、東海カーボン株式会社製グラッシ一カーボン (厚さ 3mm) を用 ヽて ヽる。セノ レータ 2, 3で ίま、各 マニフォノレド、孑し 22, 23, 2, 32, 33, 34、 ボルト孔 4が該セパレータ 2, 3の厚み方向に貫通して!/、る。
[0037] また、セパレータ 2, 3の内面には、燃料ガス流路溝 21、酸化剤ガス流路 31が形成 されて、セパレータ 2, 3の背面には、水流路溝 50が形成されている。各種マニフォ ルド孔 22, 23, 24, 32, 33, 34、ボルト孔 4、燃料ガス流路溝 31,水流路溝 50など は、切削加工あるいは成形加工により形成される。
[0038] ここで、水流路溝 50は二対の水マ-フォルド孔 24, 34間を結ぶようにして形成され る。すなわち、水がそれぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドか ら水流路溝 50に分岐して、それぞれ他方のマ-フォルド、すなわち、排水側のマ- フォルドに流通するように構成される。これによつて、水の伝熱能力によりセル 10を電 気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガ スと同様にして、セパレータ 2, 3及び膜電極接合体 1の周縁部に水マ-フォルド孔 1 4, 24, 34を形成せずに、冷却する給排路を外部マ-フォルド構造にしてもよい。さ らには、セパレータ 2, 3の背面に水流路溝 51を形成せずに隣接するセルの間に冷 却水が循環する冷却ユニットを挿入してセル 10を積層するように構成してもよ 、。
[0039] ガスケット 7は弾性体で構成され、膜電極接合体 1及びセパレータ 2, 3が押圧され ることによって変形し、膜電極接合体本体部 5の周囲及びマ-フォルド孔 14の周囲 がシールされる。なお、燃料ガスマ-フォルド孔 12及び酸化剤マ-フォルド孔 13に おいても同様にしてガスケット 7によって、それぞれのマ-フォルド孔の周囲がシール される。また、膜電極接合体本体部5の周囲には、電極層 5Dとの間に膜電極接合体 本体部周囲隙間 40が形成される。ガスケット 7は、後述するように、この膜電極接合 体本体部周囲隙間 40もシールする。 [0040] 枠体 6の両表面のガスケット 7の環状部 7Aが延在する部分には、溝部 6Aが形成さ れており、当該溝部 6Aを埋めるようにして循環部 7Aが形成されている。この溝部 6A によってガスケット 7と枠体 6との接合性を向上させることができる。
[0041] ここで、枠体 6は、熱可塑性榭脂から構成される。この熱可塑性榭脂は、 PEFC10 0の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較 的高い加重たわみ温度を有する。例えば、セパレータ 2, 3の燃料ガス流路 21及び 酸化剤ガス流路 31の幅が l〜2mm程度、かつ枠体 6の厚みが略 lmm以下である 場合、枠体 6の圧縮弾性率は少なくとも 2000MPa以上であることが好ましい。ここで 、弾性率とは、 JIS—K7181に定める圧縮弾性率測定法によって計測された圧縮弾 性率をいう。また、 PEFC100の運転温度は一般的には 90°C以下であるので、枠体 6の橈み荷重温度は 120°C以上であることが好ましい。また、枠体 6は化学的安定性 の観点から、非晶性榭脂ではなく結晶性榭脂が好ましぐその中でも機械的強度が 大きくかつ耐熱性の高い材料が好ましい。例えば、いわゆるスーパーエンジニアリン グプラスチックグレードのものが好適であり、ポリフエ-レンサルファイド（PPS)、ポリ エーテルエーテルケトン（PEEK)、結晶ポリマー（LCP)ポリエーテル-トリル（PEN) などが例示できる。これらは、数千から数万 MPaの圧縮弾性率と、 150°C以上の橈 み荷重温度を有しており好適な材料である。また、汎用されている榭脂材料であって も、例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン (GFPP)などは、非充填のポリ プロピレン（圧縮弾性率 1000〜1500MPa)の数倍の弾性率を有し、かつ 150°C近 い橈み荷重温度を有しており、好適に使用できる。本実施の形態においては、熱可 塑性榭脂であるガラスフィラー添加 PPS (大日本インキ株式会社 DIC— PPS FZ11 40-B2)が用いられている。
[0042] また、ガスケット 7は、熱可塑性榭脂または熱可塑性エラストマ一力も構成される。こ の熱可塑性榭脂または熱可塑性エラストマ一は、 PEFC100の運転条件下において 化学的に安定で、特に加水分解をおこさないなど耐熱水性を有する。例えば、ガス ケット 7の圧縮弾性率は 200MPa以下であることが好ましい。好適な材料は、ポリエ チレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビュル、ポリ塩ィ匕ビユリ デン、ポリビュルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリア セタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素榭脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリェチ レンテレフタレート、シンジオタクチック 'ポリスチレン、ポリフエ-レンサルファイド、ポリ エーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリア ミドイミド、ポリエーテルイミド、及び熱可塑性ポリイミドなど力もなる群より選ばれる。こ れによって、 PEFC100の締結荷重において良好なシール性を確保することができ る。本実施形態においては、ポリオレフイン系熱可塑性エラストマ一であるサントプレ ン 8101— 55(Advanced Elasotomer System社製)を用いている。
[0043] アノードセパレータ 2及び力ソードセパレータ 3の背面には、各種マ-フォルド孔の 周囲に、耐熱性の材料力もなるスクイーズドパッキンなどの一般的なシール部材 9が 配設されている。これによつて、隣接するセル 10の間において、各種マ-フォルド孔 22, 23, 24, 32, 33, 34のセノレ 10間の連接咅力らの燃料ガス、酸ィ匕剤ガス及び水 の流出が防止される。
[0044] 図 3は、図 1の膜電極接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図であ り、図 4は、図 1の膜電極接合体の力ソードセパレータ側の表面構造を示す平面図で ある。両図において、一点鎖線は、セル 10の組立状態において、アノードセパレータ 2及び力ソードセパレータ 3の燃料ガス流路 21及び酸化剤ガス流路 31が当接あるい は対向する位置を示して 、る。
[0045] 図 3及び図 4に示すように、本実施形態の膜電極接合体 1は、膜電極接合体本体 部 5の周縁部に枠体 6が設けられ、枠体の両主面及び高分子電解質膜 5Aの周縁部 5Eにかけてガスケット 7が設けられている。
[0046] 枠体 6は、膜電極接合体本体部 5の高分子電解質膜 5Aを挟み（図 2参照）、かつ 該高分子電解質膜 5Aの外縁に接合している矩形形状の枠体である。枠体 6には、 上記のように、該枠体を厚み方向に貫通するように、一対の燃料ガスマ-フォルド孔 12と一対の酸化剤マ-フォルド孔 13と、二対の水マ-フォルド孔 14と、枠体 6の角 部近傍に 4つのボルト孔 4とが設けられている。本実施形態においては、枠体 6は、外 形の寸法が 200mm X 180mm、開口部 26の寸法が 124mm角である、矩形平板状 により構成されている。また、枠体 6の厚みは 0. 8mmである。
[0047] ガスケット 7は、一対の燃料ガスマニフォルド孔 12と、一対の酸化剤ガスマニフォル ド孔 13と、二対の水マ-フォルド孔 14とを包囲し、かつ、膜電極接合体本体部 5の拡 散層 5Cを包囲する環状部 7Aを備える。図 3に示すようにアノードセパレータ 2側では 、燃料ガスマ-フォルド孔 12と膜電極接合体本体部 5とが一体的に包囲されるように 環状部 7Aが形成され、図 4に示すように力ソードセパレータ 3側では、酸化剤ガスマ ニフォルド孔 13と膜電極接合体本体部 5とが包囲されるように環状部 7Aが形成され ている。これによつて、燃料ガス流路溝 21及び酸化剤ガス流路溝 31外への燃料ガス 及び酸化剤ガスの流出が遮断される。なお、この場合、ガスケット 7の環状部 7Aは燃 料ガス流路溝 21及び酸化剤ガス流路溝 31の連絡部 21B, 31Bの流路抵抗を生じさ せることとなるが、連絡部 21B, 31Bに当接する環状部 7A力 それぞれのセパレータ 2, 3の段差 25, 35が設けられている部分に位置していること、及び、それぞれのセ パレータ 2, 3に設けられた溝の深さが十分にあるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの 流路の支障にはならない。なお、セル 10の組立状態において、燃料ガス流路溝 21 及び酸化剤ガス流路溝 31の連絡部 21B、 31Bが当接する位置に、ガスケット 7の環 状部 7Aを配設しなくてもよい。この場合は、燃料ガス流路溝 21及び酸化剤ガス流路 溝 31の連絡部 21B、 31Bの流路抵抗をさらに軽減させることができる。
[0048] 図 5Aは、膜電極接合体のガスケットと電極層との境界部分における断面斜視図で ある。環状部 7Aと膜電極接合体本体部 5の電極層 5Dとの間は、隙間なく密着するよ うにセノ レータ 2, 3の段差 25, 35力形成されて!ヽる。
[0049] ガスケット 7の環状部 7Aは、上述のように、枠体 6のそれぞれの主面において、枠 体 6の内縁に沿って周縁部 5E上を被覆する環状に形成されており、環状部 7Aの表 面 71は、アノードセパレータ 2及び力ソードセパレータ 3の段差 25, 35に沿うような形 状に構成されており、膜電極接合体とセパレータ 2, 3が組み合わされたとき、環状部 の表面とセパレータ 2, 3との表面の間に隙間が生じな 、ように構成されて 、る。
[0050] また、上述のように、拡散層 5Cが触媒層 5Bの周縁から突出した部分は、高分子電 解質膜 5Aとの間で隙間が形成される。当該隙間にも、後述するようにガスケット 7の 隙間充填部 7Bが設けられている。
[0051] このように環状部 7Aを構成し、枠体 6と電極層 5Dとの隙間である膜電極接合体本 体部周囲隙間 40を完全にシールすることによって、それぞれのマ-フォルドから燃 料ガス流路 21及び酸化剤ガス流路 31を通過することなく膜電極接合体本体部周囲 隙間 40を通って燃料ガス及び酸化剤ガスが他方のマ-フォルドへ流れ込むことを完 全に防止することができる。また、環状部 7Aの形状をアノードセパレータ 2及びカソ ードセパレータ 3の段差 25, 35に沿うような形状にすることによって膜電極接合体 1と アノードセパレータ 2及び力ソードセパレータ 3との間に隙間を生じさせず、燃料ガス 及び酸化剤ガスの漏れを防止することができる。
[0052] さらに、電極層 5Dの隙間を充填する隙間充填部 7Bによって、拡散層 5Cと触媒層 5Bとの大きさの差によって生じる隙間を通って燃料ガス又は酸化剤ガスがショート力 ットすることが防止される。この隙間を隙間充填部 7Bによって充填することで、当該隙 間を通って燃料ガス又は酸化剤ガスが移動することを防止する。
[0053] ガスケット 7の環状部 7Aの頂面には、その延在方向に沿って伸びるようにリブ 7Cが 形成されている。このリブ 7Cは、セル 10の組立状態において、当接するセパレータ によって押し潰される。この結果、セル 10の締結力がリブ 7Cの部分に集中するので 、各マ-フォルド孔 12, 13, 14及び膜電極接合体本体部 5の周囲をより確実にシー ルすることができる。すなわち、各マ-フォルド孔 12, 13, 14を通過する流体は、高 圧となっており、リブ 7Cを設けることによりガスケット 7のシールをより確実にし、マユ" オルド孔 12, 13, 14からの漏れを防止することができる。
[0054] なお、リブ 7Cが設けられている位置 Bは、枠体 6に支持されている高分子電解質膜 5Aの外端 Aよりも中央よりである。このようにリブ 7Cの位置をより中央よりにすることに より、当該押し付け圧力が高分子電解質膜 5Aが設けられている位置に集中し、高分 子電解質膜 5Aと枠体 6間の隙間から燃料ガス又は酸化剤ガスが反対側面にショート カットすることを防止することができる。
[0055] 隙間充填部 7Bは、上記の通り、拡散層 5Cの突出部と高分子電解質膜 5Aとの間の 隙間を充填する部位である。隙間充填層 7Bは、後述のように、ガスケット 7を射出成 形にて成型する際に、前記隙間に、溶融樹脂が侵入することによって形成される。そ のため、以下に説明する通り、拡散層 5Cの突出部の突出幅は後述するように所定の 値を有することが好ましい。
[0056] 次に膜電極接合体 1の製造方法を説明する。まず膜電極接合体本体部 5は、高分 子電解質膜 5Aの中央部両面にそれぞれ触媒層 5Bを形成し、その上に拡散層 5Cを 形成する。そのとき、拡散層 5Cは、触媒層 5Bの周縁から突出するように設けられる。 図 5Bは、膜電極接合体本体部 5の電極層の構成を示す部分拡大断面図である。
[0057] 触媒層 5Bは、例えば、以下のようにして形成する。ケッチェンブラック EC(KETJEN BLACK INTERNATIONAL社製ファーネスブラック、比表面積 800m2Zg、 DPB給油 量 360mlZl00g)に、白金を重量比 1： 1の割合で担持させる。次に、この触媒粉末 10gに水 35g及び水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液 (旭硝子株 式会社製、 9%FSS) 59gを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層イン クを作製する。そして、この触媒層インクを高分子電解質膜 5Aの両主面に 20 mの 厚みにスプレー塗工し、その後 115°Cにおいて 20分間熱処理して、触媒層 5Bが形 成される。なお。スプレー塗工に際しては、高分子電解質膜 5 Aに 120mm X 120m mの開口部を持つマスクを被せて行っている。ここで、高分子電解質膜 5Aには、外 径寸法が 140mm角、厚さ 50 μ mのパーフルォロカーボンスルホン酸膜 (DUPONT Nafionll7 (登録商標))が用いられている。
[0058] 次いで、触媒層 5Bの上に拡散層 5Cを形成する。拡散層 5Cは、微細な孔部を多数 有する多孔質体によって構成されている。これによつて、燃料ガスあるいは酸化剤ガ スが穴部に侵入することによって、それらガスが拡散して、触媒層 5Bに到達しやすく なる。本実施形態においては、 123mmの炭素繊維布（JAPAN GORE-TEX社製 Car bel CL400、厚み 400 m)を触媒層 5Bが塗布されている高分子電解質膜 5Aの両 主面に被せる。そして、この炭素繊維布を圧力 0. 5MPa、 135°C、 5分間の条件でホ ットプレスすることによって、高分子電解質膜 5Aの両主面の触媒層 5Bの上に接合す るようにして拡散層が形成される。
[0059] 図 5Bに示すように、拡散層 5Cの突出幅 Aは、拡散層 5Cの厚み幅 Bより短くなる程 度であることが好ましい。拡散層 5Cの突出幅 Aを拡散層 5Cの厚み幅 Bより短くするこ とにより、後述するガスケット 7の形成工程（図 6 (d)参照）において、拡散層 5Cの下 方に設けられる隙間 5Fにガスケット 7を構成する熱可塑性エラストマ一が射出注入し やすくなり、隙間充填層 7Bの形成を容易にする。すなわち、突出幅 Aが大きくなると 、隙間 5Fの奥行き幅が大きくなり、隙間 5Fの奥まで熱可塑性エラストマ一が注入さ れにくい。また、熱可塑性エラストマ一の射出圧力により、当該拡散層の突出部が高 分子電解質膜 5A側に橈みやすくなり、隙間 5Fの熱可塑性エラストマ一の注入口が 狭くなる。これにより、隙間充填層 7Bの形成がされに《なる。
[0060] なお、図 5Cに示すように、ガスケットの環状部 7Aは、拡散層 5Cの表面に一部被覆 されるように構成されていてもよい。この被覆部 7Dは、拡散層 5Aの突出部分上にの み形成されるようにすることが好ま ヽ。
[0061] 次に膜電極接合体本体部 5の周縁部 5Eに枠体 6を形成する。図 6は、図 3及び図 4 の VI-VI線断面において、膜電極接合体の各製造工程を概略的に示す製造工程図 である。
[0062] まず、第 1工程において、枠体 6の一部である成形部材 6Cが成形される。図 6 (a) に示すように、第 1金型 T1と第 2金型 T2とが接合された後、第 1金型 T1と第 2金型 T 2との隙間に、成形部材 6C、すなわち枠体 6の熱可塑性榭脂が射出などによって流 し込まれ、成形部材 6Cが成形される。成形部材 6Cは、枠内縁に膜電極接合体本体 部 5の周縁部 5Eが配置される平坦部 6C1が形成されている。
[0063] ここで、第 1金型 T1は、枠体部 T1Cが成型部材 6C、すなわち、枠体 6の下半面の 形状に対応する形状を有するように構成されている。また、第 1金型 T1の枠内部分 には、膜電極接合体本体部 5の周縁部 5Eを配置できるような平坦部 T1Bが構成され ている。つまり、平坦部 T1Bは、枠体部 T1Cの枠内縁側から、成形部材 6Cすなわち 、枠体 6の枠面 Sと略平行に伸びる頂面を有する。さらに、第 1金型 T1の枠内の部分 には膜電極接合体本体部 5を平面上に収容して配置できるようなくぼみ部 T1Aが形 成されている。つまり、くぼみ部 Tl Aは、平坦部 T1Bの頂面が延伸して構成される第 1金型 T1の枠内部分において、拡散層 5Cの外縁よりも数ミリ程度延伸している広さ で、底部は平坦部 T1Bの頂面を基準にして、膜電極接合体本体部 5の触媒層 5B及 び拡散層 5Cの厚さ程度の深さの平面となっている。
[0064] 第 2金型 T2は、枠体部 T2Cが成形部材 6C、すなわち枠体 6の上半面を成形する ように構成されている。ただし、第 2金型 T2の枠内縁部分には、膜電極接合体本体 部 5の周縁部 5Eが配置できるように、平坦部 T2Bが構成されている。つまり、平坦部 T2Bは、第 1金型 T1の平坦部 T1Bの頂面と当接して、枠外縁に向けて膜電極接合 体 1の周縁部 5Eの広さ以上にまで延伸する頂面を有する。
[0065] 枠体部 T1C、 T2Cには、ガスケット 7の配設位置、すなわち、マ-フォルド孔 12, 1 3, 14を包囲し、かつ枠体 6の枠内を包囲するような位置に凸部 T1D、 T1Dが形成さ れる。ここでは、凸部 T1D、 T2Dの断面は深さが約 0. 5mm、幅約 0. 5mmである。 これによつて、成形部材 6Cすなわち枠体 6に溝部 6Aが成形される。なお、枠体部 T 1C、 T2Cが凸部 T1D, T2Dを有しないように構成され、枠体 6の完成後に切削加工 によって溝部 6Aが形成されるように加工してもよ 、。
[0066] また、枠体部 T1C、 T2Cは、マ-フォルド孔 12, 13, 14を形成する形状を有してい る。これによつて、マ-フォルド孔 12, 13, 14は成形カ卩ェによって形成される。なお、 枠体部 T1C、T2Cがマ-フォルド孔 12, 13, 14の形状を有しないように構成され、 枠体 6が切削加工あるいは打ち抜き加工によってマ-フォルド孔 12, 13, 14が形成 されるようにカロェしてちよい。
[0067] 次に、第 2工程においては、第 2金型 T2が成形部材 6C力も取り除かれて、膜電極 接合体本体部 5が第 1金型 T1に嵌合している成形部材 6Cの枠内に平面上に配置さ れ、かつ平坦部 6C1に膜電極接合体本体部 5の周縁部 5Eが配置される。詳しくは 図 6 (b)に示すように、政経部座 6Cの平坦部 6C1に膜電極接合体本体部 5Bの周囲 に延在する保護膜 5Dで覆われた高分子電解質膜 5Aが位置し、かつ、拡散層 5Cが 第 1金型 T1のくぼみ部 T1Aに位置するようにして配置される。これによつて、膜電極 接合体本体部 4は平面状態で配置される。
[0068] そして、第 3工程にぉ ヽては、膜電極接合体本体部 5が接合された枠体 6が作製さ れる。詳しくは、図 6 (c)に示すように、膜電極接合体本体部 5が配置された成形部材 6Cが嵌合している第 1金型 T1に第 3金型 T3が接合される。ここで、第 3金型 T3は、 第 1金型同様にして、拡散層 5Cと干渉する位置に、拡散層 5Cと第 3金型 T3とが接 触品ようにくぼみ部 T3Aが形成されている。すなわち、くぼみ部 T3Aは、くぼみ部 T1 Aと同様の形状である。これによつて第 3項定時において第 3金型 T3と拡散層 5Cと が干渉しな!ヽので、膜電極接合体本体部 5の損傷を防止することができる。
[0069] そして第 1金型 T1及び第 3金型 T3の間隙、すなわち、膜電極接合体本体部固定 部 6Dの位置に枠体 6の熱可塑性榭脂が射出などによって流し込まれ、成形部材 6C と一体化して枠体 6が成形される。ここで、第 3金型 T3は、成形部材 6Cの平坦部 6C 1の部分が枠体 6の上半面の形状となるように構成されている。すなわち、第 3金型 T 3の枠体部 T3Bと成形部材 6Cとの間に形成される間隙に膜電極接合体本体部固定 部 6Dが構成される。そして、成形部材 6Cの平坦部 6C1に配置されている膜電極接 合体本体部 5の周縁部 5Eは流し込まれる榭脂材料の熱によって、膜電極接合体本 体部固定部 6Dと成形部材 6Cの平坦部 6C1との間に融着される。これにより膜電極 接合体本体部 5が、枠体 6に接合される。
[0070] そして、第 4工程にぉ 、て、膜電極接合体本体部 5が接合された枠体 6にガスケット
7が形成されて膜電極接合体 1が製作される。図 6 (d)に示すように、膜電極接合体 本体部 5が接合された枠体 6は第 1金型 T1及び第 3金型 T3から外され、第 4金型 T4 及び第 5金型 T5の間に配置され、両金型が型閉じされる。第 4金型 T4及び第 5金型 T5と枠体 6との間隙にガスケット 7の熱可塑性榭脂あるいは熱可塑性エラストマ一が 射出などによって流し込まれ、枠体 6の両表面にガスケット 7が成形される。ここで、第 4金型 T4及び第 5金型 T5には、ガスケットの環状部の成形がされるような形状が構 成されている。また、ガスケット 7の環状部 7Aは、枠体 6の内縁から膜電極接合体本 体部 5に設けられた電極層 5Dとの間 40に設けられ、当該部位に溶融榭脂である熱 可塑性エラストマ一が射出される際に、拡散層 5Cと高分子電解質膜 5Aとの間に存 在する隙間 5Fに浸入する。これにより、当該部分に隙間充填層 7Bが形成される。
[0071] 以上のように本実施形態にカゝかる膜電極接合体 1の製造方法は、膜電極接合体 1 が第 2工程にぉ ヽて膜電極接合体本体部 5を配置する以外は成形加工である。従つ て、膜電極接合体 1は成型機内で製造され、第 2工程では予め製作された膜電極接 合体本体部 5を成形機内に搬入して配置するだけで製造することができる。よって、 本実施形態にカゝかる製造方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率が高!、膜電 極接合体 1の大量生産に適している。
[0072] なお、スライド金型または回転金型を用いることにより、 1つの成形機内で第 1工程 力も第 3工程を連続して行うことが可能である。これによつて、工程がさらに簡素化さ れ、膜電極接合体 1の量産性をさらに向上させることができる。
[0073] なお、隙間充填層 7Bを形成しやすくするために、膜電極接合体本体部 5の電極層 5Dの変形例を示す。図 7Aは変形例に力かる膜電極接合体の部分断面拡大図であ る。この例では、拡散層 5Cは、その端面 51をテーパー状に構成している。このように 拡散層 5Cの端面をテーパー状に構成することにより、拡散層 5Cと高分子電解質膜 5Aとの間の隙間 5Fの溶融樹脂の浸入口が広くなり、当該隙間に溶融樹脂が浸入し やすくなる。よって、隙間充填層 7Bがより容易に形成される。
[0074] 図 7Bは、さらなる変形例に力かる膜電極接合体の部分断面拡大図である。この変 形例では、電極層 5Dの位置が高分子電解質膜 5Aの表裏側で位置がずれて構成さ れている。なお、この場合でも枠体 6の内縁と電極層 5Dとの間の膜電極接合体本体 部周囲隙間 40の幅が表裏側で均一になるように、枠体 6の内縁の位置を裏表側で 変化させる構成としている。このように、電極層 7Dの位置を高分子電解質膜 5 Aの表 裏側でずらすことにより、ガスケット 7の成型時に溶融樹脂の射出圧力を高くした場合 に、高分子電解質膜 5Aに圧力が加わる位置をずらすことができ、高分子電解質膜 5 Aへ負荷されるダメージが軽減され、その結果、歩留まりの向上につながる。
[0075] なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなぐその他種々の態様で実 施可能である。
産業上の利用可能性
[0076] 本発明は、高分子電解質型燃料電池の組立状態において、膜電極接合体本体部 周縁における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを遮断することができ、ひ ヽては燃料 ガス及び酸化剤ガスの利用効率を高めることができるため、コージェネレーションシス テムや電気自動車などに用いられる燃料電池として有用である。
[0077] なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなぐその他種々の態様で実 施できる。
[0078] なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより
、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
[0079] 本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載され ているが、この技術の熟練した人々にとつては種々の変形や修正は明白である。そ のような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限り において、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims

請求の範囲
[1] 高分子電解質膜と該高分子電解質膜の両表面の周縁部より内側の中央領域に、 それぞれ触媒層と該触媒層よりも面積が大きく前記触媒層から周縁が突出した拡散 層とが積層された一対の電極層とを備え、前記拡散層の突出部分と高分子電解質 膜の周縁部との間に隙間が設けられた膜電極接合体本体部と、
前記高分子電解質膜の周縁部を前記一対の電極層に対し間隔を有して挟みかつ 該高分子電解質膜の外縁を囲むように形成された板状の熱可塑性榭脂製の枠体と 前記枠体の両面それぞれに設けられた熱可塑性榭脂製のガスケットとを備え、 前記ガスケットは、前記枠体の内縁に沿って設けられ、前記枠体の内縁から前記間 隔を被覆する環状部と、前記環状部に設けられ前記枠体の内縁に沿って延在するリ ブと、前記拡散層の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との間の隙間内を充填す る隙間充填部とを備える、燃料電池用膜電極接合体。
[2] 前記枠体の内縁に沿って延在するリブが設けられている位置は、前記枠体に挟持 される前記高分子電解質膜の外周端よりも内側となるように構成されて ヽる、請求項
1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
[3] 前記拡散層は、前記突出部分の突出幅が、前記拡散層の厚み幅より短い、請求項
1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
[4] 前記拡散層は、前記突出部分の端面が前記触媒層側が短くなる方向にテーパー 状に構成されて!ヽる、請求項 1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
[5] 前記高分子電解質膜の両表面にそれぞれ設けられた電極層は、その位置が表裏 面でそれぞれずれて配置されており、前記間隔の位置が表裏方向で異なる、請求項
1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
[6] 前記枠体は、燃料ガス、酸化剤ガスをそれぞれ膜電極接合体本体部に供給するた めの、マ-フォルド孔対を備えており、前記ガスケットの環状部は、前記マ-フォルド 孔対の周囲に設けられて!/ヽる、請求項 1に記載の燃料電池用膜電極接合体。
[7] 請求項 1に記載の膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟むように配設されたァ ノードセパレータ及び力ソードセパレータとを有し、 前記アノードセパレータ及び力ソードセパレータは、前記膜電極接合体本体部の周 囲に設けられた環状部に当接する環状部当接部分が、前記環状部の外郭形状と同 形状に設けられ、前記環状部と前記環状部当接部分との間に隙間を生じさせないよ うに構成されて!ヽる高分子電解質型燃料電池用セル。
[8] 請求項 7に記載の高分子電解質型燃料電池用セルを 2以上積層されて構成されて いる、高分子電解質型燃料電池。
[9] 高分子電解質膜の周縁部より内側の両表面に触媒層を設け、当該触媒層の表面 に該触媒層よりも大きい面積を有し前記触媒層から周縁が突出して形成された拡散 層を積層状態に配置して、前記拡散層の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との 間に隙間が形成されている膜電極接合体本体部を作製し、
第 1金型と第 2金型との間に熱可塑性榭脂を流し込んで、枠内縁に平坦部が形成 された枠状の成形部材を成形し、
当該膜電極接合体本体部の周縁部が前記平坦部に位置するように前記膜電極接 合体本体部が前記成形部材の枠内に配置された前記成形部材が嵌合した状態の 第 1金型に第 3金型を接合して、前記第 1金型と前記第 3金型との間に熱可塑性榭脂 を流し込んで、前記膜電極接合体本体部が接合された状態の枠体を成形し、 前記膜電極接合体本体部が接合された枠体を間に挟みながら、第 4金型及び第 5 金型を接合して、前記第 4金型と第 5金型との間に溶融榭脂を流し込んで、前記枠体 の内縁に沿って設けられ、前記枠体の内縁から前記拡散層の外縁までを被覆する 環状部と、前記環状部に設けられ前記枠体の内縁に沿って延在するリブと、前記拡 散層の突出部分と高分子電解質膜の周縁部との間の隙間内を充填する隙間充填部 とを備えるガスケットを成型する、膜電極接合体の製造方法。
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US12/096,842 US7709123B2 (en) 2006-06-16 2007-06-14 Film electrode assembly for fuel cell, polymer electrolytic cell for fuel cell and method for manufacturing polymer electrolytic fuel cell and film electrode assembly
JP2007551498A JP4099519B2 (ja) 2006-06-16 2007-06-14 燃料電池用膜電極接合体、高分子電解質型燃料電池用セル、高分子電解質型燃料電池及び膜電極接合体の製造方法
DE112007000860T DE112007000860B4 (de) 2006-06-16 2007-06-14 Film-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Film-Elektroden-Anordnung
CN2007800013461A CN101356676B (zh) 2006-06-16 2007-06-14 燃料电池用膜电极接合体、高分子电解质型燃料电池用单元、高分子电解质型燃料电池及膜电极接合体的制造方法

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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009110154A1 (ja) * 2008-03-07 2009-09-11 ダイハツ工業株式会社 膜・電極接合体
JP2012164588A (ja) * 2011-02-09 2012-08-30 Toyota Motor Corp 燃料電池セパレータのシール構造
JP2012523656A (ja) * 2009-04-08 2012-10-04 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト 燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池のシーリング方法
JP2012238556A (ja) * 2011-05-13 2012-12-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
WO2016203926A1 (ja) * 2015-06-15 2016-12-22 日産自動車株式会社 燃料電池用電極構造体、金属セパレータ、上記燃料電池用電極構造体と金属セパレータとを用いた燃料電池セル、及び上記燃料電池用電極構造体作製用金型
JP2018037345A (ja) * 2016-09-01 2018-03-08 日産自動車株式会社 電解質膜とフレームとの接合体
JP2018063792A (ja) * 2016-10-12 2018-04-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
JP2018133327A (ja) * 2017-02-16 2018-08-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高分子電解質型燃料電池とその製造方法
JP2019117721A (ja) * 2017-12-27 2019-07-18 本田技研工業株式会社 発電セル

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5412804B2 (ja) * 2008-11-19 2014-02-12 日産自動車株式会社 燃料電池スタック
JP5381647B2 (ja) * 2009-11-26 2014-01-08 トヨタ紡織株式会社 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
GB201006403D0 (en) * 2010-04-16 2010-06-02 Itm Power Laminated stack
JP5516917B2 (ja) 2010-06-15 2014-06-11 日産自動車株式会社 燃料電池セル
KR20150143878A (ko) * 2010-10-29 2015-12-23 발라드 파워 시스템즈 인크. 연료전지 조립체 밀봉부 배열체
DE102010061865A1 (de) 2010-11-24 2012-05-24 Behr Gmbh & Co. Kg Rahmen für eine elektrochemische Energiespeichereinheit
WO2013042542A1 (ja) 2011-09-22 2013-03-28 本田技研工業株式会社 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
CN103094593B (zh) * 2011-11-01 2015-08-05 本田技研工业株式会社 燃料电池
WO2014171055A1 (ja) * 2013-04-18 2014-10-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体高分子電解質型燃料電池
DE102014221351A1 (de) * 2014-10-21 2016-04-21 Volkswagen Ag Brennstoffzelle
US10312528B2 (en) 2015-05-13 2019-06-04 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
KR102512284B1 (ko) * 2015-10-02 2023-03-22 범한퓨얼셀 주식회사 막-전극 접합체 및 이의 제조방법
KR20190029614A (ko) * 2016-08-02 2019-03-20 엔오케이 가부시키가이샤 개스킷
US10847826B2 (en) * 2017-02-16 2020-11-24 Panasonic Intelletual Property Management Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cells and production method thereof
JP6427215B2 (ja) * 2017-03-07 2018-11-21 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池用フィルム成形品のプレス加工方法及びプレス加工装置
CN109473707B (zh) * 2017-09-08 2022-05-31 徐煜 质子交换膜燃料电池的质子交换膜
KR20200072197A (ko) * 2018-12-12 2020-06-22 현대자동차주식회사 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀
TWI762099B (zh) 2020-12-22 2022-04-21 財團法人工業技術研究院 氣冷式燃料電池電堆
US20230049148A1 (en) * 2021-08-16 2023-02-16 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell having a compliant energy attenuating bumper

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003068319A (ja) * 2001-08-24 2003-03-07 Nok Corp 燃料電池用構成部品およびその製造方法
JP2004303723A (ja) * 2003-03-14 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2004319461A (ja) * 2003-04-02 2004-11-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用電解質膜構造、燃料電池用電解質膜−電極接合体構造、及び燃料電池
JP2006310288A (ja) * 2005-04-01 2006-11-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｍｅａ、ｍｅａの製造方法及び高分子電解質形燃料電池
JP2006339120A (ja) * 2005-06-06 2006-12-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3368907B2 (ja) 1991-07-17 2003-01-20 富士電機株式会社 固体高分子電解質型燃料電池のシ−ル構造
JP4193015B2 (ja) 1999-11-25 2008-12-10 Ｎｏｋ株式会社 燃料電池用ガスケット
CN100338805C (zh) * 2001-01-19 2007-09-19 松下电器产业株式会社 燃料电池用电解质膜－电极接合体的制造方法
US20040058227A1 (en) * 2002-07-09 2004-03-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell, fuel cell using the same and method of making the same
JP4426248B2 (ja) * 2002-10-29 2010-03-03 本田技研工業株式会社 膜−電極構造体
US7405019B2 (en) * 2003-03-14 2008-07-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
CN1536698B (zh) * 2003-04-02 2010-12-15 松下电器产业株式会社 燃料电池用电解质膜结构、mea结构及燃料电池
JP4130164B2 (ja) 2003-10-01 2008-08-06 株式会社竹中工務店 梁連結部構造
JP5142530B2 (ja) 2004-10-08 2013-02-13 パナソニック株式会社 高分子電解質形燃料電池
US8084165B2 (en) * 2005-04-01 2011-12-27 Panasonic Corporation MEA, MEA manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003068319A (ja) * 2001-08-24 2003-03-07 Nok Corp 燃料電池用構成部品およびその製造方法
JP2004303723A (ja) * 2003-03-14 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2004319461A (ja) * 2003-04-02 2004-11-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用電解質膜構造、燃料電池用電解質膜−電極接合体構造、及び燃料電池
JP2006310288A (ja) * 2005-04-01 2006-11-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｍｅａ、ｍｅａの製造方法及び高分子電解質形燃料電池
JP2006339120A (ja) * 2005-06-06 2006-12-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009217999A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Daihatsu Motor Co Ltd 膜・電極接合体
WO2009110154A1 (ja) * 2008-03-07 2009-09-11 ダイハツ工業株式会社 膜・電極接合体
JP2012523656A (ja) * 2009-04-08 2012-10-04 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト 燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池のシーリング方法
JP2012164588A (ja) * 2011-02-09 2012-08-30 Toyota Motor Corp 燃料電池セパレータのシール構造
JP2012238556A (ja) * 2011-05-13 2012-12-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
US10256476B2 (en) 2015-06-15 2019-04-09 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell electrode structure, metal separator, fuel cell employing said fuel cell electrode structure and said metal separator, and die for fabricating said fuel cell electrode structure
WO2016203926A1 (ja) * 2015-06-15 2016-12-22 日産自動車株式会社 燃料電池用電極構造体、金属セパレータ、上記燃料電池用電極構造体と金属セパレータとを用いた燃料電池セル、及び上記燃料電池用電極構造体作製用金型
JPWO2016203926A1 (ja) * 2015-06-15 2018-03-29 日産自動車株式会社 燃料電池用電極構造体、金属セパレータ、上記燃料電池用電極構造体と金属セパレータとを用いた燃料電池セル、及び上記燃料電池用電極構造体作製用金型
JP2018037345A (ja) * 2016-09-01 2018-03-08 日産自動車株式会社 電解質膜とフレームとの接合体
JP2018063792A (ja) * 2016-10-12 2018-04-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
JP2018133327A (ja) * 2017-02-16 2018-08-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高分子電解質型燃料電池とその製造方法
JP7018580B2 (ja) 2017-02-16 2022-02-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高分子電解質型燃料電池とその製造方法
JP2019117721A (ja) * 2017-12-27 2019-07-18 本田技研工業株式会社 発電セル

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