WO2013191181A1 - 燃料電池セル - Google Patents

燃料電池セル Download PDF

Info

Publication number
WO2013191181A1
WO2013191181A1 PCT/JP2013/066747 JP2013066747W WO2013191181A1 WO 2013191181 A1 WO2013191181 A1 WO 2013191181A1 JP 2013066747 W JP2013066747 W JP 2013066747W WO 2013191181 A1 WO2013191181 A1 WO 2013191181A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode assembly
membrane electrode
fuel cell
frame body
cathode
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/066747
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
屋 隆了
阿部 光高
智哉 野村
朋幸 高根
Original Assignee
日産自動車株式会社
日本ゴア株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日産自動車株式会社, 日本ゴア株式会社 filed Critical 日産自動車株式会社
Priority to JP2014521480A priority Critical patent/JP6027107B2/ja
Priority to CA2876844A priority patent/CA2876844C/en
Priority to EP13806555.2A priority patent/EP2863460B1/en
Priority to CN201380032043.1A priority patent/CN104412435B/zh
Priority to US14/402,110 priority patent/US10276879B2/en
Publication of WO2013191181A1 publication Critical patent/WO2013191181A1/ja

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0271Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • Patent Document 1 since the reinforcing material is provided in the diffusion layer of the fuel cell, the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases. Further, there is a demand for improving the handleability by holding the periphery of the membrane electrode assembly with a frame body and improving the rigidity against bending stress of the fuel cell to prevent the membrane electrode assembly from being damaged.
  • the fuel cell according to the present invention that achieves the above object includes a membrane electrode assembly, a frame, a pair of separators, and a support member.
  • the membrane electrode assembly is formed by joining an anode and a cathode so as to face the electrolyte membrane.
  • the frame holds the periphery of the membrane electrode assembly.
  • the pair of separators sandwich the frame holding the membrane electrode assembly.
  • the fuel cell according to the present invention is characterized in that the support member protrudes so as to extend along the edge of the frame and supports the membrane electrode assembly.
  • the support member protrudes so as to extend along the edge of the frame and supports the membrane electrode assembly. Therefore, according to the fuel battery cell of the present invention, even if a surface pressure acts on the membrane electrode assembly, the surface pressure is dispersed to the frame body via the support member, and the membrane electrode assembly and the frame body are joined. The part is not overloaded. That is, even if a surface pressure acts on the membrane electrode assembly whose periphery is held by the frame body, the joint portion between the membrane electrode assembly and the frame body is not easily damaged.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a frame of a fuel cell, a plurality of support members, and a part of a membrane electrode assembly in a cross section at the position of line 3-3 in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view of the fuel cell shown in FIG. 3 with the membrane electrode assembly removed.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the fuel cell in a cross-section at the position of line 5-5 in FIG. It is a figure which shows the effect
  • FIG. 1 is a perspective view showing a fuel battery cell 1.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the fuel cell 1 for each constituent member.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a part of the frame 20, the plurality of support members 40, and the membrane electrode assembly 10 of the fuel cell 1 in a cross-section at the position of line 3-3 in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view of the fuel cell 1 shown in FIG. 3 with the membrane electrode assembly 10 removed.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a part of the fuel battery cell 1 in a cross section at the position of line 5-5 in FIG.
  • the fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 10 formed by joining the anode 12 and the cathode 13 so as to face the electrolyte membrane 11, a frame body 20 that holds the periphery of the membrane electrode assembly 10, It has a pair of separators 30 that sandwich the frame 20 holding the membrane electrode assembly 10. Further, the fuel cell 1 includes a plurality of support members 40 that protrude along the edge of the frame body 20 and support the membrane electrode assembly 10.
  • the configuration of the membrane electrode assembly 10, the frame 20, the pair of separators 30, and the plurality of support members 40 of the fuel cell 1 will be described in detail in order with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the membrane electrode assembly 10 is formed by joining an anode 12 and a cathode 13 so as to face the electrolyte membrane 11 as shown in FIGS. 2 and 5.
  • the electrolyte membrane 11 is made of, for example, a solid polymer material and is formed in a thin plate shape.
  • a fluorine resin that conducts hydrogen ions and has good electrical conductivity in a wet state is used.
  • the anode 12 is formed by laminating an electrode catalyst layer, a water repellent layer, and a gas diffusion layer, and is formed in a thin plate shape slightly smaller than the electrolyte membrane 11.
  • the cathode 13 is formed by laminating an electrode catalyst layer, a water repellent layer, and a gas diffusion layer, and is formed in a thin plate shape with the same size as the anode 12.
  • the electrode catalyst layers of the cathode 13 and the anode 12 include an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte.
  • the gas diffusion layers of the cathode 13 and the anode 12 are made of, for example, carbon cloth, carbon paper, or carbon felt woven with yarns made of carbon fibers having sufficient gas diffusibility and conductivity.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the frame body 20 holds the outer periphery of the membrane electrode assembly 10 as shown in FIGS.
  • the frame body 20 is made of, for example, an electrically insulating resin, and is integrally formed in a rectangular plate shape with the outer periphery of the membrane electrode assembly 10 held by a holding portion 20g opened inside.
  • the edge of the holding part 20g opened inside corresponds to the edge of the frame body 20.
  • the support part 20h of the frame 20 supports a terminal part 32c of a second separator 32 of a pair of separators 30 which will be described later.
  • the frame 20 has a cathode gas supply port 20a, a cooling fluid supply port 20b, and an anode gas supply port 20c formed as through-holes at one end in the longitudinal direction.
  • the frame body 20 is formed with an anode gas outlet 20d, a cooling fluid outlet 20e, and a cathode gas outlet 20f as through holes at the other end in the longitudinal direction.
  • ribs 20m formed in a columnar shape and having convex portions are provided in a matrix in a direction from the cathode gas supply port 20a or the cathode gas discharge port 20f toward the membrane electrode assembly 10.
  • the 20 m of the frame 20 is for securing a cathode gas flow path around the fuel cell 1 when the fuel cells 1 are stacked and disposed. That is, the cathode gas supplied from the cathode gas supply port 20a of the frame body 20 flows to the membrane electrode assembly 10 along 20 m.
  • the ribs 20m are integrally formed with the frame body 20. In the frame 20, ribs 20 m are also formed in the direction from the cathode gas discharge port 20 f of the frame 20 toward the membrane electrode assembly 10.
  • the pair of separators 30 sandwich the frame body 20 holding the membrane electrode assembly 10 as shown in FIG. 2 and FIG.
  • the pair of separators 30 includes a first separator 31 joined to one surface side of the frame body 20 holding the membrane electrode assembly 10 and a terminal portion 32 c joined to the other surface side facing the one surface of the frame body 20. 2 separators 32.
  • a region in contact with the anode 12 among the plurality of concave and convex shapes corresponds to the anode gas flow path 31 a for supplying the anode gas to the anode 12.
  • the region not in contact with the anode 12 corresponds to the cooling water flow path 31 b through which the cooling water for cooling the fuel cell 1 flows.
  • the second separator 32 is formed by providing a plurality of concave and convex shapes in steps so as to form a flow path to be described later when viewed from the side surface joined to the fuel cell 1. That is, the second separator 32 is formed by press molding so that a plurality of concave and convex shapes are arranged at regular intervals.
  • the second separator 32 is provided on the cathode 13 side of the membrane electrode assembly 10, but may be provided on the anode 12 side.
  • the region on the side in contact with the cathode 13 among the plurality of concavo-convex shapes corresponds to the cathode gas flow path 32 a for supplying the cathode gas to the cathode 13.
  • the region not in contact with the cathode 13 corresponds to the cooling water flow path 32 b through which the cooling water for cooling the fuel cell 1 flows. That is, in the adjacent fuel cells 1, the cooling water channel 31 b of the first separator 31 of one fuel cell 1 and the cooling water channel 32 b provided in the second separator 32 of another fuel cell 1 are mutually connected. Will face each other. Therefore, in the adjacent fuel cell 1, the cooling water flow path 31 b of the first separator 31 and the cooling water flow path 32 b provided in the second separator 32 form one cooling water flow path.
  • the plurality of support members 40 protrude along the edge of the frame body 20 and support the membrane electrode assembly 10.
  • the support member 40 acts as a claw that reinforces the membrane electrode assembly 10.
  • the edge part of the frame 20 is equivalent to the edge of the holding part 20g opened inside.
  • the support member 40 is formed in a rectangular shape using a resin having electrical insulation, and is formed of a convex portion.
  • a plurality of support members 40 are provided at predetermined intervals along the edge of the frame 20 so as to support the membrane electrode assembly 10.
  • the support members 40 are formed in plural along the opposing edge portions of the edge portions of the rectangular frame body 20.
  • the support members 30 are formed at both ends in the longitudinal direction of the holding portion 20g opened in the frame body 20 in a rectangular shape.
  • a plurality of support members 40 are formed in parallel with the flow path through which the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas flows. That is, the support member 40 rectifies the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas without disturbing the flow of the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas.
  • a plurality of support members 40 are provided on either one surface of the anode 12 or the cathode 13.
  • a plurality of support members 40 are provided on the surface of the cathode 13. This is applied in the case of a configuration in which the surface pressure acts unilaterally in the direction from the anode 12 side toward the cathode 13 side.
  • the support member is provided from the opposite side of the surface on which the surface pressure is applied.
  • the membrane electrode assembly 10 is supported by 40.
  • the support member 40 is formed integrally with the frame body 20. Therefore, the support member 40 pressed by the membrane electrode assembly 10 is not easily peeled off from the frame body 20 or easily broken.
  • the support member 40 may be bonded to the membrane electrode assembly 10 by adhesion, welding, or the like.
  • the fuel cell 1 is supported even in a configuration in which the surface pressure acts in both the direction from the anode 12 side to the cathode 13 side and the direction from the cathode 13 side to the anode 12 side.
  • the member 40 may be provided only on either the anode 12 side surface or the cathode 13 side surface.
  • FIG. 6 is a view showing an operation by providing a plurality of support members 40 in the fuel cell 1.
  • the maximum load (N / mm) immediately before the joint was cleaved at the joint between the frame 20 and the membrane electrode assembly 10 was measured at three temperatures from room temperature to high temperature.
  • the conventional example shown by the rhombus is the measurement result of the maximum load in the configuration in which the support member 40 according to the present embodiment is not provided in the joint portion between the frame body 20 and the membrane electrode assembly 10.
  • the support member 40 In the present embodiment (TD) indicated by a round shape, the support member 40 has a predetermined distance in the direction from the edge of the frame body 20 toward the membrane electrode assembly 10 at the joint portion between the frame body 20 and the membrane electrode assembly 10. It is the measurement result of the maximum load in the structure provided only protruding.
  • Annotation TD in the figure represents a Transverse Direction.
  • the support member 40 is a predetermined distance in the direction from the edge of the frame 20 toward the membrane electrode assembly 10 at the junction between the frame 20 and the membrane electrode assembly 10. It is in a protruding state. It is a measurement result of the maximum load in the configuration in which the support member 40 is provided by extending a predetermined distance along the edge of the frame body 20 in that state.
  • Annotation MD in the figure represents Machine Direction (machine direction).
  • the maximum load (N / mm) immediately before the joint between the frame body 20 and the membrane electrode assembly 10 is cleaved is the conventional example indicated by a rhombus, the present embodiment (TD) indicated by a round shape, and the present embodiment indicated by a square shape. There is no significant dependence on temperature for both morphology (MD). On the other hand, in the present embodiment (TD) indicated by a round shape and the present embodiment (MD) indicated by a square shape, the maximum load at the joint between the frame body 20 and the membrane electrode assembly 10 is compared with the conventional example indicated by a diamond shape. (N / mm) is improved.
  • the maximum load (N / mm) at the joint between the frame body 20 and the membrane electrode assembly 10 is remarkably improved as compared with the conventional example indicated by a rhombus. .
  • the fuel cell 1 of the present embodiment described above has the following effects.
  • the plurality of support members 40 are projected along the edge of the frame body 20, and the membrane electrode assembly 10 is supported by the plurality of support members 40.
  • the plurality of support members 40 protrude along the edge of the frame body 20 to support the membrane electrode assembly 10. Therefore, according to the fuel cell 1, even if a surface pressure acts on the membrane electrode assembly 10, the surface pressure is distributed to the frame body 20 via the support member 40, and the membrane electrode assembly 10 and the frame body 20 are dispersed. Excessive load is not applied to the joint area. That is, even if a surface pressure acts on the membrane electrode assembly 10 that is held by the frame body 20, the joint between the membrane electrode assembly 10 and the frame body 20 is not easily damaged.
  • a plurality of support members 30 may be formed along opposite edges of the edge of the rectangular frame 20.
  • the support members 30 are formed at both ends in the longitudinal direction of the holding portion 20g opened in a rectangular shape in the frame 20. Therefore, the membrane electrode assembly 10 can be firmly supported at both ends in the longitudinal direction of the holding portion 20g.
  • a plurality of support members 40 may be formed in parallel with the flow path through which the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas flows.
  • the support member 40 does not hinder the flow of the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas. Furthermore, according to the fuel cell 1 configured as described above, the hydrogen-containing gas or the oxygen-containing gas can be rectified.
  • the fuel cell 1 may have a configuration in which a plurality of support members 40 are provided on one surface of the anode 12 or the cathode 13.
  • the support member 40 is opposite to the surface on which the surface pressure acts.
  • the cathode 13 side corresponding to the above, so that an excessive load is not applied to the joint portion between the membrane electrode assembly 10 and the frame body 20.
  • a plurality of support members 40 are provided on the anode 12 side corresponding to the opposite side of the surface on which the surface pressure acts, An excessive load is not applied to the joint portion between the membrane electrode assembly 10 and the frame body 20.
  • the support member 40 is disposed on the surface on the anode 12 side and on the cathode 13 side. Provide multiple on the surface.
  • the support member 40 may be formed integrally with the frame body 20.
  • the support member 40 may be joined to the membrane electrode assembly 10.
  • the membrane electrode assembly 10 can be firmly supported by the support member 40 by adhesion, welding, or the like.
  • 40 may be provided only on either the surface on the anode 12 side or the surface on the cathode 13 side.
  • Fuel cell 10 Membrane electrode assembly, 11 electrolyte membrane, 12 anode, 13 cathode, 20 frame, 20a Cathode gas supply port, 20b Cooling fluid supply port, 20c Anode gas supply port, 20d anode gas outlet, 20e Cooling fluid outlet, 20f Cathode gas outlet, 20g holding part, 20h support part, 20m ribs, 30 separator, 31 first separator, 31a Anode gas flow path, 31b Cooling water flow path, 32 second separator, 32a cathode gas flow path, 32b cooling water flow path, 32c terminal part, 40 Support member.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】周囲を枠体に保持された膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が破損することを防止できる燃料電池セルを提供する。 【課題を解決するための手段】燃料電池セル1は、膜電極接合体10、枠体20、一対のセパレータ30、および支持部材40を有している。膜電極接合体は、アノード12とカソード13とを電解質膜11に対向するように接合して形成している。枠体は、膜電極接合体の周囲を保持する。一対のセパレータは、膜電極接合体を保持した枠体を挟持する。支持部材は、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持する。

Description

燃料電池セル
 本発明は、燃料電池セルに関する。
 近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、たとえば供給された水素ガスおよび酸素ガスで化学反応を起こし、発生した化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池は、化学反応により生成される物質が原理的に水であることから、地球環境への悪影響がほとんど無い。
 燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層した状態で締結され、水素ガスおよび酸素ガスが供給される。したがって、燃料電池セルは、その積層方向に沿って一定の面圧が付与される。一方、燃料電池セルに設けられた膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)は、その強度が比較的弱い。
 したがって、膜電極接合体に面圧が作用すると、膜電極接合体が破損する可能性がある。そこで、燃料電池セルの拡散層に補強材を設けることにより、その燃料電池セルの曲げ応力に対する剛性を向上させる構成がある(例えば、特許文献1参照。)。
特開2006-310104号公報
 しかしながら、上記特許文献1の構成では、燃料電池セルの拡散層に補強材を設けることから、製造工程が煩雑になり、製造コストも増大する。また、膜電極接合体の周囲を枠体で保持することで取り扱い性を高めるとともに、燃料電池セルの曲げ応力に対する剛性を向上させ膜電極接合体の損傷を防止することが要請されている。
 本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡便な構成により、膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が破損することを防止できる燃料電池セルの提供を目的とする。
 上記目的を達成する本発明に係る燃料電池セルは、膜電極接合体、枠体、一対のセパレータ、および支持部材を有している。膜電極接合体は、アノードとカソードとを電解質膜に対向するように接合して形成している。枠体は、膜電極接合体の周囲を保持する。一対のセパレータは、膜電極接合体を保持した枠体を挟持する。本発明に係る燃料電池セルは、支持部材が、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持していることに特徴を有している。
 上記のように構成した本発明の燃料電池セルでは、支持部材が、枠体の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体を支持している。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、膜電極接合体に面圧が作用しても、その面圧は支持部材を介して枠体に分散され、膜電極接合体と枠体との接合部位に過剰な負荷が掛からない。すなわち、周囲を枠体に保持された膜電極接合体に面圧が作用しても、膜電極接合体と枠体との接合部位が容易に破損しない。
本実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 燃料電池セルを構成部材毎に分解して示す斜視図である。 燃料電池セルの枠体と複数の支持部材および膜電極接合体の一部を図1の3-3線の位置における断面で示す斜視図である。 図3に示す燃料電池セルから膜電極接合体を除いた斜視図である。 燃料電池セルを図1の5-5線の位置における断面で示す斜視図である。 燃料電池セルに複数の支持部材を設けたことによる作用を示す図である。
 以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における各部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。
 図1は、燃料電池セル1を示す斜視図である。図2は、燃料電池セル1を構成部材毎に分解して示す斜視図である。図3は、燃料電池セル1の枠体20と複数の支持部材40および膜電極接合体10の一部を図1の3-3線の位置における断面で示す斜視図である。図4は、図3に示す燃料電池セル1から膜電極接合体10を除いた斜視図である。図5は、燃料電池セル1の一部を図1の5-5線の位置における断面で示す斜視図である。
 燃料電池セル1は、概説すれば、アノード12とカソード13とを電解質膜11に対向するように接合して形成した膜電極接合体10、膜電極接合体10の周囲を保持する枠体20、膜電極接合体10を保持した枠体20を挟持する一対のセパレータ30を有している。さらに、燃料電池セル1は、枠体20の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体10を支持する複数の支持部材40を有している。以下、燃料電池セル1の膜電極接合体10、枠体20、一対のセパレータ30、複数の支持部材40の構成について、図1~図5を参照しながら順に詳細に説明する。
 膜電極接合体10は、図2および図5に示すように、アノード12とカソード13を電解質膜11に対向するように接合して形成している。電解質膜11は、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いる。アノード12は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜11よりも若干小さい薄板状に形成している。カソード13は、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード12と同様の大きさで薄板状に形成している。カソード13およびアノード12の電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。カソード13およびアノード12のガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。上述した膜電極接合体10は、一般的にMEA(membrane electrode assembly)と称されている。
 枠体20は、図2および図3に示すように、膜電極接合体10の外周を保持する。枠体20は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂からなり、内部に開口した保持部20gで膜電極接合体10の外周を保持した状態で、長方形の板状に一体成形している。内部に開口した保持部20gの縁が、枠体20の縁部に相当する。枠体20の支持部20hは、後述する一対のセパレータ30の第2セパレータ32の端子部32cを支持している。枠体20は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口20a、冷却流体供給口20b、およびアノードガス供給口20cを、それぞれ貫通孔で形成している。枠体20は、長手方向の他端に、アノードガス排出口20d、冷却流体排出口20e、およびカソードガス排出口20fを、それぞれ貫通孔で形成している。
 枠体20において、カソードガス供給口20aまたはカソードガス排出口20fから膜電極接合体10に向かう方向に、円柱形状に形成され凸部からなるリブ20mをマトリクス状に設けている。
 枠体20の20mは、燃料電池セル1を積層して配設したときに、その周囲にカソードガスの流路を確保するためのものである。すなわち、枠体20のカソードガス供給口20aから供給されたカソードガスは、20mに沿って、膜電極接合体10に流通する。リブ20mは、枠体20に一体形成している。枠体20において、枠体20のカソードガス排出口20fから膜電極接合体10に向かう方向についても、リブ20mを形成している。
 一対のセパレータ30は、図2および図5に示すように、膜電極接合体10を保持した枠体20を挟持する。一対のセパレータ30は、膜電極接合体10を保持した枠体20の一面側に接合した第1セパレータ31と、枠体20の一面に対向した他面側に接合し端子部32cを備えた第2セパレータ32からなる。
 第1セパレータ31は、膜電極接合体10を保持した枠体20の一面側に接合している。第1セパレータ31は、導電性材料を有する金属からなり、アノード12よりも大きい薄板状に形成している。第1セパレータ31は、燃料電池セル1と接合した側面から見た場合、後述する流路をなすように凹状と凸状を段違いに複数設けて形成している。すなわち、第1セパレータ31は、複数の凹凸状の形状が一定の間隔で並ぶようにプレス成形により形成している。第1セパレータ31は、膜電極接合体10のアノード12側に設けているが、カソード13側に設けてもよい。側面から第1セパレータ31を見た場合、複数の凹凸状の形状のうちのアノード12と接触する側の領域が、そのアノード12にアノードガスを供給するためのアノードガス流路31aに相当する。第1セパレータ31に係る複数の凹凸状の形状のうち、アノード12と接触しない側の領域が、燃料電池セル1を冷却するための冷却水を流す冷却水流路31bに相当する。
 第2セパレータ32は、枠体20の一面に対向した他面側に接合し端子部32cを備えている。第2セパレータ32は、第1セパレータ31と同様に、導電性材料を有する金属からなり、カソード13よりも大きい薄板状に形成している。端子部32cに、図示せぬ電圧測定コネクタを係止し、膜電極接合体10で生成された電力の電圧を測定する。端子部32cは、枠体20の支持部20hの少なくとも一部に対面するように膜電極接合体10の外側に向かう方向に突出している。第2セパレータ32は、第1セパレータ31と同様に、燃料電池セル1と接合した側面から見た場合、後述する流路をなすように凹状と凸状を段違いに複数設けて形成している。すなわち、第2セパレータ32は、複数の凹凸状の形状が一定の間隔で並ぶようにプレス成形により形成している。第2セパレータ32は、膜電極接合体10のカソード13側に設けているが、アノード12側に設けてもよい。
 また、第2セパレータ32は、複数の凹凸状の形状のうちのカソード13と接触する側の領域が、そのカソード13にカソードガスを供給するためのカソードガス流路32aに相当する。第2セパレータ32に係る複数の凹凸状の形状のうち、カソード13と接触しない側の領域が、燃料電池セル1を冷却するための冷却水を流す冷却水流路32bに相当する。すなわち、隣接する燃料電池セル1において、一の燃料電池セル1の第1セパレータ31の冷却水流路31bと、他の燃料電池セル1の第2セパレータ32に設けられた冷却水流路32bが、互いに対向することになる。したがって、隣接する燃料電池セル1において、第1セパレータ31の冷却水流路31bと、第2セパレータ32に設けられた冷却水流路32bは、1つの冷却水流路を形成する。
 複数の支持部材40は、図3および図4に示すように、枠体20の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体10を支持している。支持部材40は、膜電極接合体10を補強する爪として作用する。枠体20の縁部は、内部に開口した保持部20gの縁に相当する。支持部材40は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂を用いて、矩形状に形成され凸部からなる。支持部材40は、膜電極接合体10を支持するように、枠体20の縁部に沿って所定の間隔で複数設けている。枠体20に支持部材40を設けることにより、膜電極接合体10に面圧が作用しても、その面圧は支持部材40を介して枠体20に分散され、膜電極接合体10と枠体20との接合部位に過剰な負荷が掛からない。
 支持部材40は、矩形状からなる枠体20の縁部のうちの対向する縁部に沿って複数形成している。たとえば、枠体20に長方形状に開口された保持部20gの長手方向の両端に、支持部材30を形成している。支持部材40は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に並行して複数形成している。すなわち、支持部材40は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスの流通を妨げることなく、水素含有ガスまたは酸素含有ガスを整流している。
 支持部材40は、アノード12またはカソード13のいずれか一方の面に複数設ける。たとえば、図4に示すように、支持部材40をカソード13の面に複数設ける。これは、アノード12側からカソード13側に向かう方向に一方的に面圧が作用する構成の場合に適用される。支持部材40をカソード13側の面に複数設けることにより、アノード12側からカソード13側に向かう方向に面圧が作用しても、その面圧が作用している面の反対側から、支持部材40により膜電極接合体10を支持する。
 支持部材40は、枠体20に一体に形成している。したがって、膜電極接合体10に押圧された支持部材40が枠体20から容易に剥離したり、容易に破断することがない。
 支持部材40で膜電極接合体10を強固に支持する必要がある場合には、支持部材40を膜電極接合体10に接着や溶着等により接合してもよい。このように構成すれば、特に、燃料電池セル1が、アノード12側からカソード13側に向かう方向、およびカソード13側からアノード12側に向かう方向のいずれにも面圧が作用する構成でも、支持部材40をアノード12側の面およびカソード13側のいずれかの面のみに設ければよい。
 燃料電池セル1に複数の支持部材40を設けたことによる作用について、図6を参照しながら説明する。
 図6は、燃料電池セル1に複数の支持部材40を設けたことによる作用を示す図である。
 枠体20と膜電極接合体10との接合部において、その接合部が劈開する直前の最大荷重(N/mm)を、常温から高温にかけて3つの温度で測定した。菱形で示す従来例は、枠体20と膜電極接合体10との接合部において、本実施形態に係る支持部材40が無い構成における最大荷重の測定結果である。丸形で示す本実施形態(TD)は、枠体20と膜電極接合体10との接合部において、支持部材40が枠体20の縁部から膜電極接合体10に向かう方向に所定の距離だけ突出して設けられた構成における最大荷重の測定結果である。図中の注釈のTDは、Transverse Direction(トランスバースダイレクション)を表している。四角形で示す本実施形態(MD)は、枠体20と膜電極接合体10との接合部において、支持部材40が枠体20の縁部から膜電極接合体10に向かう方向に所定の距離だけ突出した状態である。その状態で、支持部材40が枠体20の縁部に沿って所定の距離だけ延在して設けられた構成における最大荷重の測定結果である。図中の注釈のMDは、Machine Direction(マシンダイレクション)を表している。
 枠体20と膜電極接合体10との接合部が劈開する直前の最大荷重(N/mm)は、菱形で示す従来例、丸形で示す本実施形態(TD)、および四角形で示す本実施形態(MD)ともに、温度に対する顕著な依存性は見られない。一方、丸形で示す本実施形態(TD)および四角形で示す本実施形態(MD)は、菱形で示す従来例と比較して、枠体20と膜電極接合体10との接合部における最大荷重(N/mm)が向上している。特に、四角形で示す本実施形態(MD)は、菱形で示す従来例と比較して、枠体20と膜電極接合体10との接合部における最大荷重(N/mm)が著しく向上している。
 上述した本実施形態の燃料電池セル1によれば、以下の効果を奏する。
 燃料電池セル1では、複数の支持部材40を枠体20の縁部に沿って超えるように突出させて、複数の支持部材40で膜電極接合体10を支持している。
 このように構成した燃料電池セル1によれば、複数の支持部材40が、枠体20の縁部に沿って超えるように突出し膜電極接合体10を支持している。したがって、燃料電池セル1によれば、膜電極接合体10に面圧が作用しても、その面圧は支持部材40を介して枠体20に分散され、膜電極接合体10と枠体20との接合部位に過剰な負荷が掛からない。すなわち、周囲を枠体20に保持された膜電極接合体10に面圧が作用しても、膜電極接合体10と枠体20との接合部が容易に破損しない。
 さらに、燃料電池セル1では、支持部材30を矩形状からなる枠体20の縁部のうちの対向する縁部に沿って複数形成する構成としてもよい。
 このように構成した燃料電池セル1によれば、たとえば、枠体20に長方形状に開口された保持部20gの長手方向の両端に、支持部材30を形成する。したがって、保持部20gの長手方向の両端で膜電極接合体10を強固に支持することができる。
 さらに、燃料電池セル1では、支持部材40を水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に並行して複数形成する構成としてもよい。
 このように構成した燃料電池セル1によれば、支持部材40は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスの流通を妨げることない。さらに、このように構成した燃料電池セル1によれば、水素含有ガスまたは酸素含有ガスを整流することができる。
 さらに、燃料電池セル1では、支持部材40をアノード12またはカソード13のいずれか一方の面に複数設ける構成としてもよい。
 このように構成した燃料電池セル1によれば、たとえば、アノード12側からカソード13側に向かう方向に一方的に面圧が作用する構成では、支持部材40を面圧が作用する面の反対側に相当するカソード13側に複数設けて、膜電極接合体10と枠体20との接合部位に過剰な負荷が掛からないようにする。一方、たとえば、カソード13側からアノード12側に向かう方向に一方的に面圧が作用する構成では、支持部材40を面圧が作用する面の反対側に相当するアノード12側に複数設けて、膜電極接合体10と枠体20との接合部位に過剰な負荷が掛からないようにする。さらに、アノード12側からカソード13側に向かう方向、およびカソード13側からアノード12側に向かう方向のいずれにも面圧が作用する構成では、支持部材40をアノード12側の面およびカソード13側の面に複数設ける。
 さらに、燃料電池セル1では、支持部材40を枠体20に一体に形成する構成としてもよい。
 このように構成した燃料電池セル1によれば、支持部材40を枠体20に一体に形成することから、膜電極接合体10に押圧された支持部材40が枠体20から容易に剥離したり、容易に破断することがない。さらに、このように構成した燃料電池セル1によれば、枠体20を膜電極接合体10の外周を保持するように射出成型により製造する場合、枠体20と同時に支持部材40も一体に形成することができることから、量産性に優れている。
 さらに、燃料電池セル1では、支持部材40を膜電極接合体10に接合する構成としてもよい。
 このように構成した燃料電池セル1によれば、支持部材40で膜電極接合体10を接着や溶着等により強固に支持することができる。この構成によれば、特に、燃料電池セル1が、アノード12側からカソード13側に向かう方向、およびカソード13側からアノード12側に向かう方向のいずれにも面圧が作用する構成でも、支持部材40をアノード12側の面およびカソード13側のいずれかの面のみに設ければよい。
 そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。尚、本実施形態では、複数の支持部材40を設けているが、その支持部材40を単数とすることもできる。本出願は、2012年6月18日に出願された日本特許出願番号2012-137198号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
1 燃料電池セル、
10 膜電極接合体、
11 電解質膜、
12 アノード、
13 カソード、
20 枠体、
20a カソードガス供給口、
20b 冷却流体供給口、
20c アノードガス供給口、
20d アノードガス排出口、
20e 冷却流体排出口、
20f カソードガス排出口、
20g 保持部、
20h 支持部、
20m リブ、
30 セパレータ、
31 第1セパレータ、
31a アノードガス流路、
31b 冷却水流路、
32 第2セパレータ、
32a カソードガス流路、
32b 冷却水流路、
32c 端子部、
40 支持部材。

Claims (6)

  1.  アノードとカソードとを電解質膜に対向するように接合して形成した膜電極接合体と、
     前記膜電極接合体の周囲を保持する枠体と、
     前記膜電極接合体を保持した前記枠体を挟持する一対のセパレータと、
     前記枠体の縁部に沿って超えるように突出し前記膜電極接合体を支持する支持部材と、を有することを特徴とする燃料電池セル。
  2.  前記支持部材は、矩形状からなる前記枠体の前記縁部のうちの対向する前記縁部に沿って、複数形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。
  3.  前記支持部材は、水素含有ガスまたは酸素含有ガスが流通する流路に並行して、複数形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池セル。
  4.  前記支持部材は、アノードまたはカソードのいずれか一方の面に、複数設けることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
  5.  前記支持部材は、前記枠体に一体に形成されていることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
  6.  前記支持部材は、前記膜電極接合体に接合されていることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
PCT/JP2013/066747 2012-06-18 2013-06-18 燃料電池セル WO2013191181A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014521480A JP6027107B2 (ja) 2012-06-18 2013-06-18 燃料電池セル
CA2876844A CA2876844C (en) 2012-06-18 2013-06-18 Fuel cell having a membrane electrode assembly with support members
EP13806555.2A EP2863460B1 (en) 2012-06-18 2013-06-18 Fuel cell
CN201380032043.1A CN104412435B (zh) 2012-06-18 2013-06-18 燃料电池单元
US14/402,110 US10276879B2 (en) 2012-06-18 2013-06-18 Fuel cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012137198 2012-06-18
JP2012-137198 2012-06-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013191181A1 true WO2013191181A1 (ja) 2013-12-27

Family

ID=49768776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/066747 WO2013191181A1 (ja) 2012-06-18 2013-06-18 燃料電池セル

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10276879B2 (ja)
EP (1) EP2863460B1 (ja)
JP (1) JP6027107B2 (ja)
CN (1) CN104412435B (ja)
CA (1) CA2876844C (ja)
WO (1) WO2013191181A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109216723A (zh) * 2017-07-03 2019-01-15 松下知识产权经营株式会社 燃料电池
CN111370731A (zh) * 2020-03-19 2020-07-03 浙江锋源氢能科技有限公司 一种膜电极边框、膜电极组件及其制备方法以及燃料电池
CN113113626B (zh) * 2021-03-25 2022-08-12 国家电投集团氢能科技发展有限公司 单电池和燃料电池

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005100970A (ja) * 2003-08-22 2005-04-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2006310104A (ja) 2005-04-28 2006-11-09 Equos Research Co Ltd 燃料電池用の拡散層及び燃料電池
WO2008001755A1 (en) * 2006-06-26 2008-01-03 Panasonic Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell
JP2008146872A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2010108803A (ja) * 2008-10-31 2010-05-13 Panasonic Corp 膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池
JP2010140716A (ja) * 2008-12-10 2010-06-24 Toyota Motor Corp 燃料電池

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3793141B2 (ja) * 2002-11-14 2006-07-05 株式会社日立製作所 固体高分子形燃料電池及びセパレータ
CA2477358C (en) 2003-08-22 2012-03-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
JP2005327532A (ja) 2004-05-13 2005-11-24 Hitachi Ltd 燃料電池、燃料電池用セパレータユニットキット、及び燃料電池発電ユニット用キット
WO2007105740A1 (ja) * 2006-03-08 2007-09-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha セル積層体およびこれを備えた燃料電池
JP2008299372A (ja) * 2007-05-29 2008-12-11 Sony Corp Icカード収納装置、表示方法、データ提供システム、サーバ装置、データ提供方法
JP4585036B2 (ja) * 2008-05-30 2010-11-24 パナソニック株式会社 Mea部材及び固体高分子形燃料電池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005100970A (ja) * 2003-08-22 2005-04-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2006310104A (ja) 2005-04-28 2006-11-09 Equos Research Co Ltd 燃料電池用の拡散層及び燃料電池
WO2008001755A1 (en) * 2006-06-26 2008-01-03 Panasonic Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell
JP2008146872A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2010108803A (ja) * 2008-10-31 2010-05-13 Panasonic Corp 膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池
JP2010140716A (ja) * 2008-12-10 2010-06-24 Toyota Motor Corp 燃料電池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2863460A4

Also Published As

Publication number Publication date
JP6027107B2 (ja) 2016-11-16
CN104412435B (zh) 2018-04-27
US10276879B2 (en) 2019-04-30
EP2863460A4 (en) 2016-02-17
JPWO2013191181A1 (ja) 2016-05-26
CA2876844A1 (en) 2013-12-27
EP2863460B1 (en) 2017-08-30
US20150125781A1 (en) 2015-05-07
EP2863460A1 (en) 2015-04-22
CA2876844C (en) 2020-06-16
CN104412435A (zh) 2015-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4719771B2 (ja) 燃料電池用の電極−膜−枠接合体およびその製造方法、並びに高分子電解質型燃料電池およびその製造方法
JP5839122B2 (ja) 燃料電池スタック
US10818938B2 (en) Fuel cell stack having laminated cells
JP5343532B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池スタック製造方法
JP6027107B2 (ja) 燃料電池セル
CA3001024C (en) Resin frame and separator configuration in a fuel cell
US11437632B2 (en) Fuel-cell unit cell
US11600831B2 (en) Fuel-cell unit cell
JP2013012324A (ja) 燃料電池
JP2010225484A (ja) 燃料電池、および、燃料電池の製造方法
US11374240B2 (en) Fuel-cell unit cell
JP2007250432A (ja) 燃料電池
JP2019204698A (ja) 燃料電池用ターミナルプレート
JP2009193724A (ja) 燃料電池
JP2006012462A (ja) 燃料電池のシール構造
JPH06333582A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP2003297389A (ja) 高分子電解質型燃料電池
JP2022048654A (ja) 燃料電池セルの製造方法
JPH11312530A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP2008041517A (ja) 燃料電池
JP2005190749A (ja) 燃料電池用膜電極接合体及びそれを用いた固体高分子形燃料電池
JP2007220626A (ja) 燃料電池の単位セル構造
JP2022079927A (ja) 燃料電池スタック
JP2008146910A (ja) 電圧測定端子取り付け方法
JP2008159289A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13806555

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014521480

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14402110

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2876844

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013806555

Country of ref document: EP