JP2009252420A - Fuel cell and resin frame for fuel cell - Google Patents

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振鶴 金
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of preventing infiltration of generated water or the like between metal separators and resin frames. <P>SOLUTION: The fuel cell includes the resin frames facing each other with a membrane-electrode assembly interposed therebetween, and the metal separators facing each other with the resin frames interposed therebetween. The resin frame includes a projection part projecting to a metal separator side formed at least part of an outer edge part and an inner edge part. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレームに関する。   The present invention relates to a fuel cell and a resin frame for the fuel cell.

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。   As one of the countermeasures for environmental problems and resource problems, chemical reaction is carried out by electrochemical reaction using oxidizing gas such as oxygen and air and reducing gas (fuel gas) such as hydrogen and methane or liquid fuel such as methanol as raw materials. Fuel cells that generate electricity by converting energy into electrical energy have attracted attention.

単位燃料電池（単セル）は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータ等のセパレータで挟んだものから形成される。単セルは複数積層されて燃料電池スタックとされる。セパレータには、流体流路が形成され、発電領域に、ＭＥＡ対向面に燃料ガス流路、酸化ガス流路、ＭＥＡ対向面と反対側面に冷媒流路が形成され、非発電領域に、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成されている。燃料ガスが燃料ガスマニホールド、燃料ガス流路に流され、酸化ガスが酸化ガスマニホールド、酸化ガス流路に流され、冷媒が冷媒マニホールド、冷媒流路に流される。流体流路はまわりから接着剤またはガスケット等のシール材によって外部からシールされる。   The unit fuel cell (single cell) is provided so that the fuel electrode (anode catalyst layer) is opposed to one surface of the electrolyte membrane and the air electrode (cathode catalyst layer) is opposed to the other surface with the electrolyte membrane interposed therebetween. A membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) is sandwiched between separators such as metal separators. A plurality of single cells are stacked to form a fuel cell stack. The separator is formed with a fluid flow path, a fuel gas flow path, an oxidizing gas flow path is formed on the MEA facing surface, a refrigerant flow path is formed on the side opposite to the MEA facing surface, and a fuel gas flow path is formed on the non-power generation area. A manifold, an oxidizing gas manifold, and a refrigerant manifold are formed. The fuel gas is flowed to the fuel gas manifold and the fuel gas flow path, the oxidizing gas is flowed to the oxidizing gas manifold and the oxidizing gas flow path, and the refrigerant is flowed to the refrigerant manifold and the refrigerant flow path. The fluid flow path is sealed from the outside by a sealing material such as an adhesive or a gasket.

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水（生成水）が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。   At the time of power generation of the fuel cell, when hydrogen gas is used as the raw material supplied to the fuel electrode and air is used as the raw material supplied to the air electrode, hydrogen ions and electrons are generated from the hydrogen gas at the fuel electrode. The electrons reach the air electrode from the external terminal through the external circuit. In the air electrode, water (product water) is generated by oxygen in the supplied air, hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane, and electrons that have reached the air electrode through an external circuit. Thus, a chemical reaction occurs in the fuel electrode and the air electrode, and electric charges are generated to function as a battery. This fuel cell has been studied in various ways as a clean energy source due to the abundance of raw material gas and liquid fuel used for power generation and the fact that the substance discharged from the power generation principle is water. Has been.

セパレータとしてメタルセパレータを使用した場合、図７に従来の燃料電池の単セル６０の一部の周辺端部の断面図を示すように、一般に、隣接する単セル６０間の電気接触抵抗を低減するためにセパレータ基材６４のＭＥＡ６６との対向面（ＭＥＡ対向面）の反対側の面に例えば貴金属コート６８が形成され、メタルセパレータ７８とＭＥＡ６６との電気接触抵抗を低減するとともに原料ガス（燃料ガス、酸化ガス）及び生成水中の酸性成分等によるセパレータ基材６４の腐食を抑制するためにセパレータ基材６４のＭＥＡ対向面に耐食コートとして、例えば貴金属コート６８及びカーボンコート７０が形成される。また、セパレータ基材６４の外周部の両面には樹脂コート７６が形成される。貴金属コート６８、カーボンコート７０、樹脂コート７６等の表面処理コートが形成されたメタルセパレータ７８は、接着剤等を用いた接着層７２により樹脂フレーム７４とシールされる。また、隣接する単セル６０は、ガスケット等によりシールされる。   When a metal separator is used as the separator, generally, the electrical contact resistance between adjacent single cells 60 is reduced as shown in the sectional view of the peripheral edge of a part of the unit cell 60 of the conventional fuel cell in FIG. Therefore, for example, a noble metal coat 68 is formed on the surface of the separator base 64 opposite to the surface facing the MEA 66 (MEA facing surface) to reduce the electrical contact resistance between the metal separator 78 and the MEA 66 and at the same time, the raw material gas (fuel gas) In order to suppress the corrosion of the separator base material 64 due to acidic components in the generated water and the generated water, for example, a noble metal coat 68 and a carbon coat 70 are formed on the MEA facing surface of the separator base material 64 as a corrosion resistant coat. A resin coat 76 is formed on both surfaces of the outer peripheral portion of the separator base 64. The metal separator 78 on which the surface treatment coat such as the noble metal coat 68, the carbon coat 70, and the resin coat 76 is formed is sealed with the resin frame 74 by the adhesive layer 72 using an adhesive or the like. Adjacent single cells 60 are sealed with a gasket or the like.

しかし、このような表面処理コートをセパレータ基材に施したメタルセパレータを用いた場合、図８に図７における点線部分、すなわち樹脂フレーム７４のＭＥＡ６６側の端部（内縁部）において、樹脂コート７６に起因する段差のために樹脂フレーム７４とメタルセパレータ７８との間に隙間が生じ、生成水等が侵入することがある。生成水等が侵入すると、メタルセパレータ７８に浸透し、セパレータ基材６４が腐食する可能性がある。   However, when a metal separator in which such a surface treatment coat is applied to the separator substrate is used, the resin coat 76 is shown in FIG. 8 at the dotted line portion in FIG. Due to the level difference caused by this, a gap may be formed between the resin frame 74 and the metal separator 78, and generated water or the like may enter. When generated water or the like enters, the metal separator 78 may permeate and the separator base material 64 may corrode.

例えば特許文献１には、発電部と枠部との接合部からのガスリークの発生を防止するために、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えた固体電解質型燃料電池において、接合部における発電部と枠部との少なくとも一方に、接合材の内側と外側との少なくとも一方を覆う凹部もしくは凸部を設けた固体電解質型燃料電池が記載されている。   For example, in Patent Document 1, in order to prevent the occurrence of gas leakage from the joint between the power generation section and the frame section, each electrode of the fuel electrode and the air electrode is formed so as to sandwich a flat solid electrolyte, and the power generation section In the solid oxide fuel cell having a joining part that joins the frame part to the outer peripheral side of the power generation part using a joining material, at least one of the power generation part and the frame part in the joining part, There is described a solid oxide fuel cell provided with a concave portion or a convex portion covering at least one of the inner side and the outer side.

また、特許文献２には、燃料電池に温度サイクルがかかっても、接着剤と樹脂フレームまたはメタルセパレータとの接合面の剥がれや接着剤層の破損を生じさせないために、樹脂フレームとメタルセパレータとを接着剤を介して接合したの接合面と平行な方向における接着剤の変形を規制する凹凸形状を樹脂フレームとメタルセパレータのうち少なくとも一方の部材に設けた燃料電池が記載されている。   Further, Patent Document 2 discloses that a resin frame and a metal separator are used in order not to cause peeling of a bonding surface between an adhesive and a resin frame or a metal separator or damage to an adhesive layer even when a temperature cycle is applied to the fuel cell. There is described a fuel cell in which a concavo-convex shape for restricting deformation of an adhesive in a direction parallel to a bonding surface obtained by bonding an adhesive is provided on at least one member of a resin frame and a metal separator.

特開２００５−５０６９２号公報JP 2005-50692 A 特開２００６−１９２０４号公報JP 2006-19204 A

しかし、特許文献１，２のような構造では、メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができない。   However, in the structures as in Patent Documents 1 and 2, it is not possible to prevent intrusion of generated water or the like between the metal separator and the resin frame.

本発明は、メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができる燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレームである。   The present invention is a fuel cell and a resin frame for a fuel cell that can prevent intrusion of generated water or the like between a metal separator and a resin frame.

本発明は、膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池であって、前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有する燃料電池である。   The present invention is a fuel cell including a resin frame opposed to a membrane electrode assembly and a metal separator opposed to the resin frame, wherein the resin frame is formed on at least a part of an outer edge portion and an inner edge portion. It is a fuel cell which has the projection part which protrudes in the said metal separator side.

また、前記燃料電池において、前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備えることが好ましい。   In the fuel cell, it is preferable that a resin coat is provided on at least a part of the outer peripheral portion of the metal separator and the inner peripheral portion of the manifold.

また、前記燃料電池において、前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることが好ましい。   In the fuel cell, it is preferable that the height of the protrusion is equal to or greater than the thickness of the resin coat.

また、本発明は、膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池用の樹脂フレームであって、前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有する燃料電池用の樹脂フレームである。   Further, the present invention is a resin frame for a fuel cell including a resin frame that is opposed to the membrane electrode assembly and a metal separator that is opposed to the resin frame, and the resin frame includes an outer edge portion and an inner edge. It is a resin frame for fuel cells which has a projection part which protrudes in the metal separator side at least in a part.

また、前記燃料電池用の樹脂フレームにおいて、前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備え、前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることが好ましい。   In the resin frame for a fuel cell, at least a part of the outer peripheral portion of the metal separator and the inner peripheral portion of the manifold is provided with a resin coat, and the height of the protruding portion is equal to or greater than the thickness of the resin coat. preferable.

本発明では、樹脂フレームが外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ側に突出する突起部を有することにより、メタルセパレータと樹脂フレーム間の生成水等の侵入を防止することができる燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレームを提供することができる。   In the present invention, the resin frame has protrusions protruding toward the metal separator on at least a part of the outer edge portion and the inner edge portion, so that intrusion of generated water or the like between the metal separator and the resin frame can be prevented. In addition, a resin frame for a fuel cell can be provided.

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below. This embodiment is an example for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.

＜燃料電池及び燃料電池用の樹脂フレーム＞
図１に、本実施形態に係る固体高分子電解質型の燃料電池１０の一例の概略側面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る燃料電池１０におけるＭＥＡ（膜電極接合体）４０の一例の概略断面図を示す。図１における各単セル１９は、図２に示すＭＥＡ４０と、セパレータとの積層体から構成される。 <Fuel cell and resin frame for fuel cell>
FIG. 1 shows a schematic side view of an example of a solid polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment. FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an example of an MEA (membrane electrode assembly) 40 in the fuel cell 10 according to the present embodiment. Each single cell 19 in FIG. 1 is composed of a laminate of MEA 40 shown in FIG. 2 and a separator.

図２に示すように、ＭＥＡ４０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の表面に配置された触媒層１２を含む燃料極（アノード）１４と、電解質膜１１の他方の表面に配置された触媒層１５を含む空気極（カソード）１７とから構成される。触媒層１２及び１５とセパレータ（図２において図示せず）との間には、通気性を有するガス拡散層１３，１６がアノード側、カソード側にそれぞれ設けられる。   As shown in FIG. 2, the MEA 40 is disposed on the electrolyte membrane 11, the fuel electrode (anode) 14 including the catalyst layer 12 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11, and the other surface of the electrolyte membrane 11. And an air electrode (cathode) 17 including the catalyst layer 15. Between the catalyst layers 12 and 15 and the separator (not shown in FIG. 2), gas diffusion layers 13 and 16 having air permeability are provided on the anode side and the cathode side, respectively.

ＭＥＡ４０とＭＥＡ４０の拡散層１３，１６の両外側を挟持するセパレータとを重ねて単セル１９を構成し、図１のように、単セル１９を積層してセル積層体３８とし、セル積層体３８のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体３８をセル積層方向に締め付け、セル積層体３８の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート）２４、ボルト・ナット２５等にて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。なお、セル積層体３８における単セル１９の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。   The single cell 19 is configured by stacking the MEA 40 and the separators sandwiching the outer sides of the diffusion layers 13 and 16 of the MEA 40, and the single cell 19 is stacked to form a cell stacked body 38 as shown in FIG. The terminal 20, the insulator 21, and the end plate 22 are arranged at both ends of the cell stacking direction, the cell stack 38 is fastened in the cell stacking direction, and a fastening member (for example, a tension plate) extending in the cell stacking direction outside the cell stack 38 ) 24 and fixed with bolts / nuts 25, etc. to constitute the fuel cell stack 23. The number of single cells 19 in the cell stack 38 is not particularly limited as long as it is one or more.

図３に単セル１９の一例の上面概略図を示す。単セル１９は、中央部にガス流路と冷媒流路と電極が存在し発電を行う発電領域５１を有し、その周囲に位置し発電を行わない非発電領域５２を有する。セパレータは金属製セパレータ（以下、メタルセパレータという）１８である。図４に単セル１９を分解した概略斜視図を示すように、単セル１９において、ＭＥＡ４０とメタルセパレータ１８との間で、非発電領域５２の部位に、枠状の（発電領域５１に対応する領域が中抜きされた）樹脂フレーム３６が設けられており、ＭＥＡ４０は２枚の樹脂フレーム３６で挟まれ、その２枚の樹脂フレーム３６が２枚のメタルセパレータ１８で挟まれる。メタルセパレータ１８と樹脂フレーム３６には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９がそれぞれ形成されている。なお、非発電領域５２における燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１及び冷媒マニホールド２９の配置位置は、図３，４の位置に限定されるものではない。   FIG. 3 shows a schematic top view of an example of the single cell 19. The single cell 19 has a power generation region 51 in which a gas channel, a refrigerant channel, and an electrode exist in the central portion and generates power, and has a non-power generation region 52 that is located around it and does not generate power. The separator is a metal separator (hereinafter referred to as a metal separator) 18. As shown in a schematic perspective view in which the single cell 19 is disassembled in FIG. 4, in the single cell 19, a frame-like (corresponding to the power generation region 51) is formed between the MEA 40 and the metal separator 18 in the non-power generation region 52. A resin frame 36 (with a region cut out) is provided, and the MEA 40 is sandwiched between two resin frames 36, and the two resin frames 36 are sandwiched between two metal separators 18. A fuel gas manifold 30, an oxidizing gas manifold 31, and a refrigerant manifold 29 are formed in the metal separator 18 and the resin frame 36 in the non-power generation region 52. The arrangement positions of the fuel gas manifold 30, the oxidizing gas manifold 31, and the refrigerant manifold 29 in the non-power generation region 52 are not limited to the positions shown in FIGS.

図５に、図３におけるＡ−Ａ断面概略図を示す。メタルセパレータ１８により、発電領域５１において、ＭＥＡ４０のアノード側に燃料ガス（通常は水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、ＭＥＡ４０のカソード側に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、メタルセパレータ１８には冷媒（通常は冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。図３，４の燃料ガスマニホールド３０は図５の燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。マニホールド３０，３１，２９と発電領域の流体流路２７，２８，２６は、それぞれ図示しない連通路を介して、連通しており、連通路にも流体が流れる。通常、単セル１９において、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７及び酸化ガス流路２８は、複数個並列に形成される。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The metal separator 18 forms a fuel gas passage 27 for supplying fuel gas (usually hydrogen) to the anode side of the MEA 40 in the power generation region 51, and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode side of the MEA 40. An oxidizing gas passage 28 for supplying the gas is formed. The metal separator 18 is also formed with a refrigerant flow path 26 for flowing a refrigerant (usually cooling water). The fuel gas manifold 30 in FIGS. 3 and 4 communicates with the fuel gas flow path 27 in FIG. 5, the oxidizing gas manifold 31 communicates with the oxidizing gas flow path 28, and the refrigerant manifold 29 communicates with the refrigerant flow path 26. is doing. The manifolds 30, 31, 29 and the fluid flow paths 27, 28, 26 in the power generation region are in communication with each other via communication paths (not shown), and fluid flows through the communication paths. Usually, in the single cell 19, a plurality of refrigerant channels 26, fuel gas channels 27, and oxidizing gas channels 28 are formed in parallel.

本実施形態に係るメタルセパレータ１８には、隣接する単セル１９間の電気接触抵抗を低減するためにセパレータ基材４７のＭＥＡ４０との対向面（ＭＥＡ対向面）の反対側の面に例えば貴金属コート４２が形成され、メタルセパレータ１８とＭＥＡ４０との電気接触抵抗を低減するとともに原料ガス（燃料ガス、酸化ガス）及び生成水中の酸性成分等によるセパレータ基材４７の腐食を抑制するためにセパレータ基材４７のＭＥＡ対向面に例えば貴金属コート４２及びカーボンコート４４が形成される。また、セパレータ基材４７の外周部の少なくとも一部には樹脂コート４８が形成される。図５の例ではセパレータ基材４７の外周部の両面に樹脂コート４８が形成されている。樹脂コート４８が形成された部分には貴金属コート４２は形成されず、メタルセパレータ１８のＭＥＡ対向面において接着層４６に接触する接着部にはカーボンコート４４は形成されない。表面処理コートのうち樹脂コート４８は、セパレータ基材４７の上記マニホールド及び連通路を構成する内周部分にも形成されることが望ましい。   In the metal separator 18 according to the present embodiment, for example, a noble metal coating is provided on the surface opposite to the surface (MEA facing surface) facing the MEA 40 of the separator base 47 in order to reduce the electrical contact resistance between the adjacent single cells 19. 42 is formed to reduce the electrical contact resistance between the metal separator 18 and the MEA 40 and to suppress the corrosion of the separator base 47 due to the raw material gas (fuel gas, oxidizing gas) and acidic components in the generated water. For example, a noble metal coat 42 and a carbon coat 44 are formed on the MEA facing surface 47. A resin coat 48 is formed on at least a part of the outer peripheral portion of the separator base 47. In the example of FIG. 5, resin coats 48 are formed on both surfaces of the outer peripheral portion of the separator base material 47. The noble metal coat 42 is not formed on the portion where the resin coat 48 is formed, and the carbon coat 44 is not formed on the adhesion portion contacting the adhesion layer 46 on the MEA facing surface of the metal separator 18. Of the surface treatment coat, the resin coat 48 is preferably formed also on the inner peripheral portion of the separator base 47 that constitutes the manifold and the communication path.

ＭＥＡ４０を挟んだ一対の樹脂フレーム３６間は接着剤等を用いた接着層４９によりシールされる。一方、貴金属コート４２、カーボンコート４４、樹脂コート４８等の表面処理コートが形成されたメタルセパレータ１８は、接着剤等を用いた接着層４６により樹脂フレーム３６とシールされる。   A pair of resin frames 36 sandwiching the MEA 40 is sealed with an adhesive layer 49 using an adhesive or the like. On the other hand, the metal separator 18 on which the surface treatment coat such as the noble metal coat 42, the carbon coat 44, and the resin coat 48 is formed is sealed with the resin frame 36 by the adhesive layer 46 using an adhesive or the like.

本実施形態において、樹脂フレーム３６は、その外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ１８側に突出する突起部５０を有する。図５の例では、樹脂フレーム３６の外縁部及び内縁部に突起部５０が形成されている。   In the present embodiment, the resin frame 36 has a protrusion 50 that protrudes toward the metal separator 18 on at least a part of its outer edge and inner edge. In the example of FIG. 5, protrusions 50 are formed on the outer edge and the inner edge of the resin frame 36.

このように、樹脂フレーム３６が、その外縁部及び内縁部の少なくとも一部にメタルセパレータ１８側に突出する突起部５０を有することにより、外縁部及び内縁部において樹脂フレーム３６とメタルセパレータ１８との間に隙間が生じることを防止し、生成水等の侵入を抑制することができる。   As described above, the resin frame 36 has the protrusions 50 projecting toward the metal separator 18 on at least a part of the outer edge portion and the inner edge portion, so that the resin frame 36 and the metal separator 18 are formed at the outer edge portion and the inner edge portion. It is possible to prevent the formation of a gap between them and suppress the intrusion of generated water or the like.

図６に図５における点線部分、すなわち樹脂フレーム３６のＭＥＡ４０側の端部（内縁部）の拡大図を示す。樹脂コート４８に起因する段差がメタルセパレータ１８の樹脂フレーム３６側の表面に生じても、メタルセパレータ１８側に突出する突起部５０により樹脂フレーム３６とメタルセパレータ１８とが接触するため、内縁部において樹脂フレーム３６とメタルセパレータ１８との間に隙間がほとんど生じることなく、生成水等の侵入を抑制することができ、セパレータ基材４７の腐食を防止することができる。この場合、単セル１９を積層して図１のようなスタック構造とする場合、この突起部５０において締結荷重を受けることになる。   FIG. 6 shows an enlarged view of a dotted line portion in FIG. 5, that is, an end portion (inner edge portion) of the resin frame 36 on the MEA 40 side. Even if a level difference caused by the resin coat 48 occurs on the surface of the metal separator 18 on the resin frame 36 side, the resin frame 36 and the metal separator 18 come into contact with each other by the protrusion 50 protruding to the metal separator 18 side. There is almost no gap between the resin frame 36 and the metal separator 18, so that intrusion of generated water or the like can be suppressed and corrosion of the separator base material 47 can be prevented. In this case, when the single cells 19 are stacked to form a stack structure as shown in FIG. 1, the projecting portion 50 receives a fastening load.

突起部５０は、生成水等の侵入を抑制するように樹脂フレーム３６の外縁部及び内縁部の少なくとも一部に形成されればよいが、生成水等の侵入をより抑制するためには、外縁部と内縁部の両方に形成されることが好ましい。なお、枠状の樹脂フレーム３６において、発電領域５１に対応する領域が中抜きされた部分及びマニホールドの領域が中抜きされた部分を内縁部という。   The protrusion 50 may be formed on at least a part of the outer edge and the inner edge of the resin frame 36 so as to suppress the intrusion of the generated water or the like. It is preferable to be formed on both of the part and the inner edge part. In the frame-shaped resin frame 36, a portion where the region corresponding to the power generation region 51 is hollowed out and a portion where the manifold region is hollowed out are referred to as inner edge portions.

図６の突起部５０の高さｔ２は、樹脂コート４８の厚みｔ１以上であることが好ましく、樹脂コート４８の厚みｔ１より大きいことがより好ましい。通常、樹脂コート４８の厚みｔ１は１０〜３０μｍ程度であるが、突起部５０の高さｔ２はｔ１以上、例えばｔ１＋１０μｍ程度とすることができる。これにより、生成水等の侵入をより確実に抑制することができる。   6 is preferably equal to or greater than the thickness t1 of the resin coat 48, and more preferably greater than the thickness t1 of the resin coat 48. Usually, the thickness t1 of the resin coat 48 is about 10 to 30 μm, but the height t2 of the protrusion 50 can be t1 or more, for example, about t1 + 10 μm. Thereby, penetration | invasion of produced | generated water etc. can be suppressed more reliably.

本実施形態において、セパレータ基材４７を構成する材料は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、銅またはその合金、ニッケルまたはその合金、鋼等である。セパレータ基材４７の厚みは、例えば０．１〜０．２ｍｍである。   In this embodiment, the material which comprises the separator base material 47 is stainless steel, aluminum or its alloy, titanium or its alloy, magnesium or its alloy, copper or its alloy, nickel or its alloy, steel, etc., for example. The thickness of the separator substrate 47 is, for example, 0.1 to 0.2 mm.

貴金属コート４２は、接触抵抗を下げるために、例えば、金により構成される。貴金属コート４２の厚みは、例えば数百ｎｍである。   The noble metal coat 42 is made of, for example, gold in order to reduce the contact resistance. The thickness of the noble metal coat 42 is, for example, several hundred nm.

カーボンコート４４等の耐食コートの厚みは、例えば３０μｍ程度である。   The thickness of the corrosion resistant coat such as the carbon coat 44 is, for example, about 30 μm.

樹脂フレーム３６を構成する材料は、例えば、フッ素系樹脂等である。   The material constituting the resin frame 36 is, for example, a fluorine resin.

接着層４６，４９は、例えば、シリコーン、オレフィン、エポキシ、アクリルなどの樹脂等の接着剤等を含んで構成され、塗布時には液状で、接着剤の両側の部材で押されて拡げられ、塗布後に乾燥または熱により固化される。   The adhesive layers 46 and 49 include, for example, an adhesive such as a resin such as silicone, olefin, epoxy, and acrylic. The adhesive layers 46 and 49 are liquid at the time of application and are expanded by being pressed by members on both sides of the adhesive. Solidified by drying or heat.

樹脂コート５０は、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられる。このうち、密着強度に優れる点からポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂が好ましい。   Examples of the resin coat 50 include a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamideimide resin, and an epoxy resin. Of these, polyimide resins and polyamideimide resins are preferred because of their excellent adhesion strength.

隣接する単セル１９の間には、隣り合うメタルセパレータ１８間にシール材が配置され、それぞれのシール材は燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１及び冷媒マニホールド２９を流れる各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）を相互にかつ外部から分離した状態で、これらの流体をシールする。シール材は、発電領域５１（流体流路２６，２７，２８の存在する領域）まわり、および連通路を除いてマニホールド２９，３０，３１まわりに、形成される。シール材は接着剤であっても、ガスケット等であっても良く、容易に単セル１９の取り外し分解が可能であるためガスケットが好ましい。ガスケットは、例えば、シリコーン系ゴム、フッ素系ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等である。   Between adjacent single cells 19, a sealing material is disposed between adjacent metal separators 18, and each of the sealing materials includes various fluids (fuel gas, oxidizing gas) that flow through the fuel gas manifold 30, the oxidizing gas manifold 31, and the refrigerant manifold 29. These fluids are sealed in a state where the gases and refrigerants are separated from each other and from the outside. The sealing material is formed around the power generation region 51 (the region where the fluid flow paths 26, 27, and 28 are present) and around the manifolds 29, 30, and 31 except for the communication passage. The sealing material may be an adhesive or a gasket, and a gasket is preferable because the single cell 19 can be easily detached and disassembled. The gasket is, for example, silicone rubber, fluorine rubber, EPDM (ethylene propylene diene rubber) or the like.

燃料電池１０の各単セル１９において、例えば、燃料極１４に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極１７に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極１４の触媒層１２において、
２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ2）から水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とが発生する。電子（ｅ-）は拡散層１３から外部回路を通り、空気極１７の拡散層１６から触媒層１５に到達する。触媒層１５において、供給される空気中の酸素（Ｏ2）と、電解質膜１１を通過した水素イオン（Ｈ+）と、外部回路を通じて触媒層１５に到達した電子（ｅ-）により、
４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極１４及び空気極１７において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。 In each unit cell 19 of the fuel cell 10, for example, when the fuel gas supplied to the fuel electrode 14 is operated as hydrogen gas and the oxidizing gas supplied to the air electrode 17 is operated as air, in the catalyst layer 12 of the fuel electrode 14,
2H 2 → 4H + + 4e -
The hydrogen ion (H + ) and electrons (e − ) are generated from the hydrogen gas (H 2 ) through the reaction formula (hydrogen oxidation reaction) shown in FIG. Electrons (e − ) pass through the external circuit from the diffusion layer 13 and reach the catalyst layer 15 from the diffusion layer 16 of the air electrode 17. In the catalyst layer 15, oxygen (O 2 ) in the supplied air, hydrogen ions (H + ) that have passed through the electrolyte membrane 11, and electrons (e − ) that have reached the catalyst layer 15 through an external circuit,
4H + + O 2 + 4e - → 2H 2 O
Water is produced through the reaction formula (oxygen reduction reaction) shown in FIG. In this way, a chemical reaction occurs in the fuel electrode 14 and the air electrode 17, and charges are generated to function as a battery. And since the component discharged | emitted in a series of reaction is water, a clean battery is comprised.

本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。   The fuel cell according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, an automobile power source, a household power source, and the like.

本発明の実施形態に係る燃料電池の一例の概略側面図である。1 is a schematic side view of an example of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池におけるＭＥＡ（膜電極接合体）の一例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an example of MEA (membrane electrode assembly) in the fuel cell concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例の概略上面図を示す。The schematic top view of an example of the single cell in the fuel cell which concerns on embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例を分解した概略斜視図である。It is a schematic perspective view which decomposed | disassembled an example of the single cell in the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池における図３の単セルのＡ−Ａ線の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the AA line of the single cell of FIG. 3 in the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 図５における点線部分の拡大図である。It is an enlarged view of the dotted line part in FIG. 従来の燃料電池における単セルの一例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an example of the single cell in the conventional fuel cell. 図７における点線部分の拡大図である。It is an enlarged view of the dotted-line part in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池、１１ 電解質膜、１２，１５ 触媒層、１３，１６ 拡散層、１４ 燃料極（アノード）、１７ 空気極（カソード）、１８，７８ メタルセパレータ、１９，６０ 単セル、２０ ターミナル、２１ インシュレータ、２２ エンドプレート、２３ 燃料電池スタック、２４ 締結部材、２５ ボルト・ナット、２６ 冷媒流路（冷却水流路）、２７ 燃料ガス流路、２８ 酸化ガス流路、２９ 冷媒マニホールド、３０ 燃料ガスマニホールド、３１ 酸化ガスマニホールド、３６，７４ 樹脂フレーム、３８ セル積層体、４０，６６ ＭＥＡ、４２，６８ 貴金属コート、４４，７０ カーボンコート、４６，４９，７２ 接着層、４７，６４ セパレータ基材、４８，７６ 樹脂コート、５０ 突起部、５１ 発電領域、５２ 非発電領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 11 Electrolyte membrane, 12, 15 Catalyst layer, 13, 16 Diffusion layer, 14 Fuel electrode (anode), 17 Air electrode (cathode), 18, 78 Metal separator, 19, 60 Single cell, 20 Terminal, 21 Insulator, 22 End plate, 23 Fuel cell stack, 24 Fastening member, 25 Bolt / nut, 26 Refrigerant flow path (cooling water flow path), 27 Fuel gas flow path, 28 Oxidizing gas flow path, 29 Refrigerant manifold, 30 Fuel gas manifold , 31 Oxidizing gas manifold, 36, 74 Resin frame, 38 cell laminate, 40, 66 MEA, 42, 68 Precious metal coat, 44, 70 Carbon coat, 46, 49, 72 Adhesive layer, 47, 64 Separator base material, 48 , 76 Resin coat, 50 protrusions, 51 Power generation area, 52 Non-power generation Pass.

Claims (5)

膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池であって、
前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising a resin frame opposed across a membrane electrode assembly and a metal separator opposed across the resin frame,
The fuel frame according to claim 1, wherein the resin frame has a protrusion that protrudes toward the metal separator on at least a part of an outer edge and an inner edge. 請求項１に記載の燃料電池であって、
前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備えることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
A fuel cell comprising a resin coat on at least a part of an outer peripheral portion of the metal separator and an inner peripheral portion of a manifold. 請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell according to claim 1, wherein a height of the protrusion is equal to or greater than a thickness of the resin coat. 膜電極接合体を挟んで対向する樹脂フレームと前記樹脂フレームを挟んで対向するメタルセパレータとを含む燃料電池用の樹脂フレームであって、
前記樹脂フレームは、外縁部及び内縁部の少なくとも一部に前記メタルセパレータ側に突出する突起部を有することを特徴とする燃料電池用の樹脂フレーム。 A resin frame for a fuel cell, comprising a resin frame facing the membrane electrode assembly and a metal separator facing the resin frame,
The said resin frame has the projection part which protrudes in the said metal separator side in at least one part of an outer edge part and an inner edge part, The resin frame for fuel cells characterized by the above-mentioned. 請求項４に記載の燃料電池用の樹脂フレームであって、
前記メタルセパレータの外周部及びマニホールド内周部の少なくとも一部に樹脂コートを備え、前記突起部の高さは、前記樹脂コートの厚み以上であることを特徴とする燃料電池用の樹脂フレーム。 A resin frame for a fuel cell according to claim 4,
A resin frame for a fuel cell, wherein a resin coat is provided on at least a part of an outer peripheral portion of the metal separator and an inner peripheral portion of a manifold, and a height of the protrusion is equal to or greater than a thickness of the resin coat.
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