JP2010244871A

JP2010244871A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010244871A
Application number: JP2009092967A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 研二佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-10-28

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell for effectively solving a problem that a laminated place in which a reinforced membrane is laminated in a catalyst layer excessively absorbs a relatively large proportion of compressing force out of the compressing force when stacking, and accordingly a sufficient compressing force becomes not to act on a power generating region. <P>SOLUTION: As for the fuel cell, a fuel battery cell 10 is formed by arranging gas permeation layers 5A, 5B and separators 7, 7 on both sides of a membrane-electrode assembly 4, and the fuel battery cell 10 is laminated. At least out of an electrolyte membrane 1, between an exposed region 1' of the periphery uncovered by the catalyst layers 2, 3 and the gas permeation layers 5A, 5B, the reinforced membranes 8A, 8B are interposed. One part of the reinforced membranes 8A, 8B is laminated on the catalyst layers 2, 3 and forms the laminated place, and in these catalyst layers 2, 3, the thickness of peripheral regions 22, 32 corresponding to the laminated place becomes thinner than the that of the center regions 21, 31 in which the reinforced membrane is not laminated inside the peripheral regions 22, 32. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜を備えた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell including a reinforcing membrane between a gas permeable layer and an electrolyte membrane at the periphery of a catalyst layer.

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、この膜電極接合体とこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ＆ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。 A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) formed from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer sandwiching the electrolyte membrane. An electrode body (MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly) is formed from the membrane electrode assembly and the anode-side and cathode-side gas diffusion layers (GDL) sandwiching the membrane-electrode assembly, and a fuel gas or an oxidant is formed on the electrode body. A gas flow path layer made of a porous metal body for collecting gas and collecting electricity generated by an electrochemical reaction and a separator are arranged on both sides of the electrode body. In addition, the fuel cell in which the gas flow channel groove is formed in the separator is also a conventional one, and in this case, the metal porous body that becomes the gas flow channel layer is unnecessary. An actual fuel cell stack is formed by stacking and stacking a number of fuel cell cells according to required power.

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータに形成されたガス流路溝）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。 In the fuel cell described above, hydrogen gas or the like is provided as a fuel gas to the anode electrode, oxygen or air is provided as the oxidant gas to the cathode electrode, and each electrode has a unique gas flow path layer (or formed in a separator). The gas flows in the in-plane direction in the gas channel groove), and then the gas diffused in the gas diffusion layer is guided to the electrode catalyst layer to cause an electrochemical reaction.

上記するガス拡散層の形態として、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ：ＭｉｃｒｏＰｏｒｏｕｓＬａｙｅｒ）とから構成されるものは一般に知られるところである。一般には、触媒層は電解質膜よりも狭小な平面積（小さな平面積）を有しており、電解質膜が触媒層にて被覆されていない触媒層の周縁の露出領域には、ポリマー素材の補強膜（もしくは保護フィルム）が配設されており、この補強膜が拡散層基材と電解質膜の間に介在した構造が一般的である。補強膜を触媒層の周縁領域で拡散層基材と電解質膜の間に介在させることにより、触媒層を有する電解質膜（膜電極接合体）とガス拡散層をたとえば１００〜１３０℃程度の高温雰囲気下、１〜３ＭＰａ程度の圧縮力で熱圧着する（電解質膜に影響を与えない熱圧着条件）際に、繊維質の拡散層基材の表面から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さることを抑止することができる。 As a form of the gas diffusion layer described above, a gas diffusion layer composed of a diffusion layer base material and a current collecting layer (MPL: Micro Porous Layer) is generally known. In general, the catalyst layer has a smaller planar area (smaller planar area) than the electrolyte membrane, and a polymer material is reinforced in the exposed area around the catalyst layer where the electrolyte membrane is not covered with the catalyst layer. A membrane (or protective film) is provided, and a structure in which this reinforcing membrane is interposed between a diffusion layer substrate and an electrolyte membrane is common. By interposing the reinforcing membrane between the diffusion layer base material and the electrolyte membrane in the peripheral region of the catalyst layer, the electrolyte membrane (membrane electrode assembly) having the catalyst layer and the gas diffusion layer are in a high temperature atmosphere of about 100 to 130 ° C., for example. Below, when thermocompression bonding is performed with a compressive force of about 1 to 3 MPa (thermocompression conditions that do not affect the electrolyte membrane), fuzz protruding from the surface of the fibrous diffusion layer base material is prevented from piercing the electrolyte membrane. be able to.

また、上記する燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体や金属多孔体の周縁に形成されている。このガスケット成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえばガス流路となる金属多孔体を具備する燃料電池セルにおいては、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。なお、キャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを最初に収容し、次いで上記する構成部材を収容して射出成形をおこなう方法もある。 Further, in the fuel cell described above, the electrode body is provided with a gasket for sealing a fluid such as a fuel gas or an oxidant gas supplied to the membrane electrode assembly, and a cooling water for suppressing the temperature rise of the cell. And formed on the periphery of the porous metal body. This gasket molding is generally performed by injection molding or compression molding. For example, in a fuel cell having a metal porous body serving as a gas flow path, one metal porous body on the anode side or cathode side is accommodated in the cavity of the mold, and then the electrode body is accommodated, and then the anode side or Gasket molding is performed by injecting a resin into the gasket forming cavity at the periphery of the electrode body and the metal porous body in a posture in which the other metal porous body on the cathode side is accommodated. There is also a method in which either the anode side or the cathode side separator is first accommodated in the cavity, and then the above-described constituent members are accommodated for injection molding.

上記するセパレータには、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成された中間プレートが介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがある。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側のガス透過層（エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの金属多孔体からなるガス流路層）と、電極体（膜電極接合体およびガス拡散層）と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。 Examples of the separator include a three-layer structure in which an intermediate plate in which a flow path is formed between two plates made of titanium or stainless steel, for example, or an intermediate layer made of a resin frame. There are a plurality of dimples and ribs that define a flow path project from one of the plates to form a cooling water flow path. The separator having the three-layer structure is either the anode side or the cathode side separator of the cell itself, and at the same time, is the other separator on the anode side or the cathode side of the adjacent cell in the stacked posture. That is, the cell constituent member of the fuel cell having this three-layer structure separator is composed of one three-layer structure separator and a gas permeable layer on the anode side and the cathode side (from a porous metal body such as expanded metal or metal foam sintered body). Gas passage layer) and an electrode body (membrane electrode assembly and gas diffusion layer), and in a posture in which a plurality of fuel cells are stacked, an arbitrary fuel cell has an anode side at both ends and It has a cathode side separator.

上記する補強膜とガスケットを備えた従来の燃料電池セルの構造を図４に示しており、同図にはさらに、スタッキング時の圧縮力による、電極体に作用する面圧を該電極体の部位ごとに示している。図４において、電解質膜ａと、カソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２と、から膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ（拡散層基材ｄ１と集電層ｄ２とから構成される）が挟持して形成される。触媒層ｂ１、ｂ２は電解質膜ａに比して狭小であり、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２で被覆されていない露出領域にはカソード側およびアノード側の補強膜ｅ１，ｅ２が配され、これらが電解質膜ａと拡散層基材ｄ１の間に介在している。また、図示例はガス流路となる金属多孔体ｆをカソード側およびアノード側に備えたものであり、電極体と金属多孔体ｆの周縁には、射出成形され、その内部に流体流通用のマニホールドＭを有するガスケットｇが形成されている。 FIG. 4 shows the structure of a conventional fuel cell having the above-described reinforcing membrane and gasket. Further, the surface pressure acting on the electrode body due to the compressive force at the time of stacking is further shown in FIG. Shown for each. In FIG. 4, a membrane electrode assembly c is formed from an electrolyte membrane a and cathode and anode catalyst layers b1 and b2, and the membrane electrode assembly c is formed into a cathode-side and anode-side gas diffusion layer d ( A diffusion layer base material d1 and a current collecting layer d2) are sandwiched and formed. The catalyst layers b1 and b2 are narrower than the electrolyte membrane a, and the cathode-side and anode-side reinforcing membranes e1 and e2 are disposed in the exposed regions where the electrolyte membrane a is not covered with the catalyst layers b1 and b2. These are interposed between the electrolyte membrane a and the diffusion layer base material d1. In the illustrated example, a metal porous body f serving as a gas flow path is provided on the cathode side and the anode side, and the periphery of the electrode body and the metal porous body f is injection-molded, and fluid circulation is provided in the inside thereof. A gasket g having a manifold M is formed.

図示例のごとく、補強膜ｅ１，ｅ２は、その触媒層側端部が触媒層ｂ１、ｂ２にラップ（積層）しているのが一般的である。この補強膜ｅ１，ｅ２は、熱圧着時に拡散層基材の毛羽が電解質膜ａに突き刺さると、この突き刺さり箇所がガスのクロスリークを助長することとなり、燃料電池のクロスリーク耐久性が低下し、発電性能の低下に直結するという課題を解消するために設けられている。すなわち、電解質膜ａが触媒層ｂ１、ｂ２と接触している領域は、該触媒層ｂ１、ｂ２にて電解質膜ａが毛羽の突き刺さりから保護されている一方で、上記する電解質膜ａの露出領域は補強膜ｅ１，ｅ２で毛羽の突き刺さりから保護される。ここで、触媒層ｂ１、ｂ２の端部から毛羽が電解質膜ａに通じることを回避するべく、図示するように、補強膜ｅ１，ｅ２の端部を触媒層ｂ１、ｂ２に積層させるようにしている。上記補強膜の積層構造を呈する従来技術として、特許文献１に開示の燃料電池を挙げることができる。 As in the illustrated example, the reinforcing membranes e1 and e2 generally have their catalyst layer side ends wrapped (laminated) on the catalyst layers b1 and b2. When the fluff of the diffusion layer base material pierces the electrolyte membrane a during thermocompression bonding, the reinforcing membranes e1 and e2 promote gas cross-leakage, and the cross-leak durability of the fuel cell decreases. It is provided in order to solve the problem of being directly linked to a decrease in power generation performance. In other words, the region where the electrolyte membrane a is in contact with the catalyst layers b1 and b2 is the region where the electrolyte membrane a is protected from fluff sticking by the catalyst layers b1 and b2, while the exposed region of the electrolyte membrane a described above. Are protected from fluff sticking by the reinforcing films e1 and e2. Here, in order to avoid the fluff from passing through the end portions of the catalyst layers b1 and b2 to the electrolyte membrane a, the end portions of the reinforcing membranes e1 and e2 are laminated on the catalyst layers b1 and b2, as shown in the figure. Yes. As a prior art exhibiting the laminated structure of the reinforcing membrane, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 can be cited.

なお、一般に補強膜は電解質膜や触媒層に比して高剛性であり、硬度も相対的に高いことから、上記する毛羽が突き刺さった場合でも、補強膜を貫通する毛羽の数は極めて少なくなり、結果として、補強膜を介し、電解質膜を介してアノード側とカソード側を毛羽が貫通することが効果的に抑止されている。 In general, since the reinforcing membrane is higher in rigidity than the electrolyte membrane and the catalyst layer and has a relatively high hardness, the number of fluff penetrating through the reinforcing membrane is extremely small even when the above-mentioned fluff is pierced. As a result, it is effectively prevented that the fluff penetrates the anode side and the cathode side through the reinforcing membrane and the electrolyte membrane.

ところで、燃料電池スタックは複数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされて形成されるものであるが、このスタッキング時の圧縮力は各燃料電池セルに伝達され、図示のごとく膜電極接合体ｃに対してその上下から圧縮力Ｐとして作用する。ここで、図示のごとく補強膜ｅ１，ｅ２が触媒層ｂ１、ｂ２と積層している場合、相対的に高剛性の補強膜が積層している電極体箇所Ａ（補強膜の積層箇所）が相対的に多くの割合の圧縮力を負担することとなり、それに起因して、他の電極体箇所には所期の圧縮力が作用しなくなるという課題が生じ得る。 By the way, the fuel cell stack is formed by stacking and stacking a plurality of fuel cells, and the compressive force at the time of stacking is transmitted to each fuel cell, and as shown in the drawing, it is applied to the membrane electrode assembly c. On the other hand, it acts as a compressive force P from above and below. Here, when the reinforcing membranes e1 and e2 are laminated with the catalyst layers b1 and b2, as shown in the figure, the electrode body portion A (the laminated portion of the reinforcing membrane) where the relatively rigid reinforcing membrane is laminated is relatively As a result, a large amount of compressive force is borne, resulting in a problem that the desired compressive force does not act on other electrode body locations.

あるいは、図４の面圧グラフで示すように、補強膜が触媒層に積層してなる電極体箇所Ａでは面圧が過度に高くなり、その外側の補強膜が存在する領域は、該補強膜が電解質膜等に比して高剛性であるがゆえに過面圧領域となる。その一方で、電極体箇所Ａの内側は、ガス拡散層と触媒層が接触しない箇所Ｇが存在することにより、この箇所Ｇに対応する電極体箇所には面圧が作用せず、面圧無領域が形成される。 Alternatively, as shown in the surface pressure graph of FIG. 4, in the electrode body portion A in which the reinforcing film is laminated on the catalyst layer, the surface pressure is excessively high, and the region where the outer reinforcing film is present is the reinforcing film. However, since it is more rigid than an electrolyte membrane or the like, it becomes an overpressure region. On the other hand, the inside of the electrode body portion A has a portion G where the gas diffusion layer and the catalyst layer are not in contact with each other, so that no surface pressure acts on the electrode body portion corresponding to this portion G, and there is no surface pressure. A region is formed.

そして、一般に、この面圧無領域より内側は発電領域であり、それよりも外側の過面圧領域は非発電領域であるが、この非発電領域に図示のごとく過大な面圧が作用し、そのために、発電領域に十分な圧縮力が作用しない、さらには図示のごとく面圧無領域が生じてしまう、という不具合が生じ、燃料電池の発電性能を著しく低下させる要因となることは理解に易い。 And, generally, the inner surface of this surface pressure-free region is a power generation region, and the outer surface pressure region outside it is a non-power generation region, but an excessive surface pressure acts on this non-power generation region as shown in the figure, Therefore, it is easy to understand that a sufficient compressive force does not act on the power generation region, and that a surface pressureless region is generated as shown in the figure, which causes a significant decrease in the power generation performance of the fuel cell. .

特開２００８−７１５４２号公報JP 2008-71542 A

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒層の周縁であって、ガス透過層と電解質膜の間に補強膜（たとえば保護フィルム）を備え、この補強膜の端部が触媒層に積層（ラップ）している膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、を備えた燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、この補強膜が触媒層に積層している積層箇所が、スタッキング時の圧縮力のうちの相対的に多くの割合の圧縮力を過度に負担し、そのために、発電領域に十分な圧縮力が作用しなくなるという課題や、あるいは、本来的に発電領域であるはずの電極体の一部に面圧が作用せず、そのために発電量が低くならざるを得ないという課題、を効果的に解消することのできる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is provided at the periphery of the catalyst layer, including a reinforcing film (for example, a protective film) between the gas permeable layer and the electrolyte film, and an end of the reinforcing film is provided. In a fuel cell in which a fuel cell comprising a membrane electrode assembly laminated (wrapped) on a catalyst layer and a gas permeable layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly is laminated, the reinforcing membrane The stacking point where the catalyst layer is stacked overloads a relatively large proportion of the compressive force during stacking, so that a sufficient compressive force does not act on the power generation region. It is possible to effectively solve the problem or the problem that the surface pressure does not act on a part of the electrode body that should originally be in the power generation region, and therefore the power generation amount must be reduced. An object is to provide a fuel cell.

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、ガス透過層の両側にセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、前記触媒層において、前記積層箇所に対応する周縁領域の厚みは、該周縁領域の内側で補強膜が積層していない中央領域の厚みよりも薄くなっているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly formed of an electrolyte membrane and a catalyst layer that has a smaller planar area than the catalyst layer and abuts on both sides of the electrolyte membrane. A fuel cell in which a gas permeable layer is disposed on both sides of a joined body, separators are disposed on both sides of the gas permeable layer to form a fuel cell, and the fuel cell is laminated, at least the electrolyte membrane Among these, a reinforcing film is interposed between the exposed area on the periphery not covered with the catalyst layer and the gas permeable layer, and a part of the reinforcing film is laminated on the catalyst layer to form a laminated portion. In the catalyst layer, the thickness of the peripheral region corresponding to the stacking portion is thinner than the thickness of the central region where the reinforcing film is not stacked inside the peripheral region.

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しているものに関し、この触媒層は発電領域となる中央領域と、その周縁の非発電領域となる周縁領域と、から構成し、この周縁領域を中央領域に比して相対的に薄層とすることにより、当該積層箇所にスタッキング時の圧縮力が過度に作用する（過度に圧縮力を負担する）のを効果的に抑制でき、もって、発電領域に所望の圧縮力を作用させることのできる燃料電池である。 The fuel cell constituting the fuel cell according to the present invention relates to a fuel cell in which a part of a reinforcing film is laminated on a catalyst layer to form a laminated portion. And a peripheral layer that is a non-power generation region, and by making the peripheral region relatively thin compared to the central region, the compressive force at the time of stacking is excessively applied to the laminated portion (excessive This is a fuel cell that can effectively suppress the compression force on the power generation region, and can apply a desired compression force to the power generation region.

すなわち、本発明の燃料電池では、触媒層の厚みを所望に調整しただけの極めて簡易な構造変更により、発電領域に十分な、しかも面内均一な圧縮力を作用させることができるものである。 That is, in the fuel cell of the present invention, a sufficiently simple and even in-plane compressive force can be applied to the power generation region by an extremely simple structural change by simply adjusting the thickness of the catalyst layer as desired.

ここで、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された形態は勿論のこと、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配された形態を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。 Here, the structure of the fuel cell constituting the fuel cell of the present invention is such that the gas diffusion layer comprising the diffusion layer base material and the current collecting layer is provided on both the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly, the anode Either the side or the cathode side includes both of the forms including only the current collecting layer (the diffusion layer base material is eliminated). In the present specification, any of these forms is referred to as an electrode body. In addition to a configuration in which separators having gas flow channel grooves formed on both sides of the electrode body are directly arranged, a gas flow channel layer (a porous metal such as an expanded metal) is formed between a so-called flat type separator and the electrode body. Body) is included. Furthermore, the “gas permeable layer” is meant to include both a gas diffusion layer and a gas flow path layer. Therefore, in a cell configuration that does not include a gas flow path layer, a “gas permeable layer” means a “gas diffusion layer”, and in a cell configuration that includes both a gas diffusion layer and a gas flow path layer, The “permeation layer” means either or both of “gas diffusion layer” and “gas flow path layer”.

また、セパレータは、既述する３層構造のセパレータ、すなわち、第１のプレート（たとえばカソード側プレート）、中間層（もしくは中間プレート）、第２のプレート（たとえばアノード側プレート）が積層してなる３層構造のセパレータを有していてもよいし、一側面にガス用溝流路が形成され、他側面に冷却媒体用流路が形成された、従来一般のセパレータを有していてもよい。 The separator has a three-layer structure as described above, that is, a first plate (for example, cathode side plate), an intermediate layer (or intermediate plate), and a second plate (for example, anode side plate) are laminated. The separator may have a three-layer structure, or may have a conventional general separator in which a gas groove channel is formed on one side surface and a cooling medium channel is formed on the other side surface. .

ここで、中央領域と周縁領域で厚みが異なる触媒層は、たとえば、電解質膜表面に一気に形成してもよいし、周縁領域の厚みを有する触媒層を電解質膜表面に形成し、この厚みにさらに付加される厚み分の中央領域の触媒層をガス拡散層等のガス透過層の中央領域に対応する位置に形成し、双方の触媒層同士を当接させ、ホットプレスすることによって形成してもよい。この場合は、形成される触媒層が、少なくとも第１の触媒層と、これに積層する第２の触媒層と、からなる積層構造を呈しているものであり、周縁領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層の厚みで規定され、前記中央領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層および前記第２の触媒層の厚みの和で規定されることとなる。 Here, the catalyst layers having different thicknesses in the central region and the peripheral region may be formed on the surface of the electrolyte membrane, for example, or a catalyst layer having a thickness of the peripheral region is formed on the surface of the electrolyte membrane, and this thickness is further increased. The catalyst layer in the central region for the added thickness may be formed at a position corresponding to the central region of the gas permeable layer such as a gas diffusion layer, and both catalyst layers may be brought into contact with each other and hot pressed. Good. In this case, the formed catalyst layer has a laminated structure including at least the first catalyst layer and the second catalyst layer laminated thereon, and the thickness of the peripheral region is at least the first layer. The thickness of the first catalyst layer is defined, and the thickness of the central region is defined by at least the sum of the thicknesses of the first catalyst layer and the second catalyst layer.

補強膜が積層する箇所の触媒層が相対的に薄層となっており、したがって、相対的に薄くなっている触媒層の周縁領域の厚みに、積層した補強膜の厚みを付加した全厚みと、相対的に厚くなっている触媒層の中央領域の厚みと、の差分は、従来の均一な厚みを有する触媒層の場合の差分に比して格段に小さくなることから、非発電領域に作用し得る過大な面圧は緩和される。 The catalyst layer where the reinforcing membrane is laminated is a relatively thin layer. Therefore, the thickness of the peripheral region of the relatively thin catalyst layer plus the thickness of the laminated reinforcing membrane is The difference between the thickness of the central area of the catalyst layer, which is relatively thick, is much smaller than that of the conventional catalyst layer having a uniform thickness. The excessive surface pressure that can be relaxed.

ここで、上記する本発明の燃料電池において、前記燃料電池セルが積層され、スタッキングされた際の姿勢において、前記積層箇所に対応する触媒層の前記周縁領域の厚みと前記補強膜の厚みの和が、触媒層の前記中央領域の厚みと同じか、それよりも薄くなっているのが好ましい。 Here, in the fuel cell of the present invention described above, in the posture when the fuel cells are stacked and stacked, the sum of the thickness of the peripheral region of the catalyst layer corresponding to the stacking location and the thickness of the reinforcing membrane is added. However, it is preferable that the thickness is the same as or thinner than the thickness of the central region of the catalyst layer.

この形態によれば、補強膜の積層箇所に対応する非発電領域に過大な面圧が生じることが確実に抑止でき、触媒層の中央領域に対応する発電領域に所望の面圧を確実に作用させることができる。 According to this aspect, it is possible to reliably suppress an excessive surface pressure from being generated in the non-power generation region corresponding to the laminated portion of the reinforcing film, and to reliably apply a desired surface pressure to the power generation region corresponding to the central region of the catalyst layer. Can be made.

さらには、上記する厚みの相違する触媒層は、アノード側とカソード側の双方に設ける形態以外にも、アノード側もしくはカソード側のいずれか一方にのみ当該触媒層が配された形態であってもよい。 Furthermore, the catalyst layers having different thicknesses described above may have a form in which the catalyst layer is disposed only on either the anode side or the cathode side in addition to the form provided on both the anode side and the cathode side. Good.

いずれか一方の電極に厚みが相違する触媒層が形成され、他方の電極には従来一般の全面が同一な厚みの触媒層が形成されるものであっても、非発電領域に生じ得る過度な面圧は効果的に緩和できる。なお、ガス拡散層からの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜を貫通する貫通孔が形成されないことを前提として、従来一般の全面が同一な厚みの触媒層が形成される電極において、補強膜を廃した構造としてもよい。 Even if one of the electrodes is formed with a catalyst layer having a different thickness, and the other electrode is formed with a catalyst layer having the same thickness on the entire surface in the past, it may be excessive in the non-power generation region. The surface pressure can be effectively reduced. It should be noted that, on the assumption that a through-hole penetrating the electrolyte membrane due to fluff sticking out from the gas diffusion layer is not formed, the reinforcing membrane is abolished in the conventional electrode in which a catalyst layer having the same thickness is formed on the entire surface. It is good also as a structure.

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、少なくとも、電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間に補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成するものに関し、この積層箇所に対応する触媒層の周縁領域を、補強膜が積層していない触媒層の中央領域よりも相対的に薄層にしただけの極めて簡易な構造変更により、非発電領域となる周縁領域に過度の面圧が作用することが効果的に抑制され、中央領域に対応する発電領域に所望の面圧を確実に作用させることができる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, at least a reinforcing membrane is interposed between the exposed region of the peripheral edge of the electrolyte membrane that is not covered with the catalyst layer and the gas permeable layer, and , A part of the reinforcing membrane is laminated on the catalyst layer to form a laminated portion, and the peripheral region of the catalyst layer corresponding to the laminated portion is more than the central region of the catalyst layer where the reinforcing membrane is not laminated. Due to the extremely simple structural change that is made relatively thin, it is possible to effectively suppress excessive surface pressure from acting on the peripheral region that is the non-power generation region, and to achieve a desired surface in the power generation region corresponding to the central region. The pressure can be applied reliably.

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力が作用した状態を示した図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed a part of one Embodiment of the fuel cell which comprises the fuel cell of this invention, Comprising: It is the figure which showed the state which the compression force at the time of stacking acted. 本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの他の実施の形態の一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力が作用した状態を示した図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed a part of other embodiment of the fuel cell which comprises the fuel cell of this invention, Comprising: It is the figure which showed the state which the compression force acted on the stacking. 本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルのさらに他の実施の形態の一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力が作用した状態を示した図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed a part of further another embodiment of the fuel cell which comprises the fuel cell of this invention, Comprising: It is the figure which showed the state which the compression force at the time of stacking acted. 従来の燃料電池を構成する燃料電池セルの一部を示した縦断面図であって、スタッキング時の圧縮力による、電極体に作用する面圧をともに示した図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed some fuel cells which comprise the conventional fuel cell, Comprising: It is the figure which showed together the surface pressure which acts on an electrode body by the compressive force at the time of stacking.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、カソード側およびアノード側の双方に補強膜が配されたセル構造を示しているが、ガス拡散層からの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜を貫通する貫通孔が形成されないことを前提として、アノード側およびカソード側のいずれか一方にのみ補強膜が配されたセル構造であってもよい。また、図示例では、電極体の両側（上下）に３層構造セパレータが配されて燃料電池セルを構成しているが、実際には、一つの燃料電池セルは、いずれか一方の３層構造セパレータがその構成部材である。すなわち、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、図示のごとく電極体の両側にセパレータが配されることとなるが、ここでは、便宜的に、図示例の構造を燃料電池セルの構造とする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Although the illustrated example shows a cell structure in which a reinforcing film is disposed on both the cathode side and the anode side, a through-hole penetrating the electrolyte membrane due to fluff sticking out from the gas diffusion layer is not formed. As a premise, a cell structure in which a reinforcing film is disposed only on one of the anode side and the cathode side may be used. Further, in the illustrated example, the fuel cell is configured by arranging the three-layer structure separator on both sides (upper and lower) of the electrode body. However, actually, one fuel cell has one of the three-layer structures. A separator is the constituent member. That is, in a posture in which a plurality of fuel cells are stacked, separators are disposed on both sides of the electrode body as shown in the figure. Here, for convenience, the structure of the illustrated example is referred to as the structure of the fuel cell. To do.

図１〜図３はそれぞれ、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一部を示した縦断面図である。この燃料電池セル１０は、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，３と、から膜電極接合体４が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層５Ａ，５Ｂ（ガス透過層）が挟持して電極体を形成し、電極体の両側にカソード側およびアノード側のガス流路層６Ａ，６Ｂ（ガス透過層）が配され、ガス流路層６Ａ，６Ｂの両側に３層構造のセパレータ７，７が配され、電極体およびガス流路層６Ａ，６Ｂの周縁に樹脂素材のガスケット９が形成されて、その全体が大略構成されている。 1 to 3 are longitudinal sectional views each showing a part of a fuel cell constituting the fuel cell of the present invention. In this fuel cell 10, a membrane electrode assembly 4 is formed from the electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2 and 3 on the cathode side and the anode side, and this is formed into gas diffusion layers 5 A and 5 B (on the cathode side and anode side). Gas permeation layer) is sandwiched to form an electrode body, and cathode side and anode side gas flow path layers 6A and 6B (gas permeation layer) are arranged on both sides of the electrode body, and both sides of gas flow path layers 6A and 6B. The three-layer separators 7 and 7 are arranged on the periphery of the electrode body, and the resin material gasket 9 is formed on the periphery of the electrode body and the gas flow path layers 6A and 6B.

ここで、触媒層２，３は電解質膜１に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜１の両側の触媒層２，３の周縁には該触媒層２，３が存在しない露出領域１’が形成される。 Here, the catalyst layers 2 and 3 have a smaller area than the electrolyte membrane 1, and therefore the catalyst layers 2 and 3 do not exist at the periphery of the catalyst layers 2 and 3 on both sides of the electrolyte membrane 1. An exposed region 1 ′ is formed.

この露出領域１’には、カソード側およびアノード側の補強膜８Ａ，８Ｂが配されており、より具体的には、該補強膜８Ａ，８Ｂの一部が触媒層２，３上にラップして積層箇所を形成した姿勢で、触媒層２，３から露出領域１’に亘って補強膜８Ａ，８Ｂが配されており、ガス拡散層５Ａ，５Ｂから突出する毛羽が電解質膜１に突き刺さるのを防護している。 In the exposed region 1 ′, reinforcing films 8A and 8B on the cathode side and the anode side are arranged. More specifically, a part of the reinforcing films 8A and 8B is wrapped on the catalyst layers 2 and 3. The reinforcing membranes 8A and 8B are arranged from the catalyst layers 2 and 3 to the exposed region 1 ′ in a posture in which the laminated portions are formed, and the fluff protruding from the gas diffusion layers 5A and 5B pierces the electrolyte membrane 1. Is protected.

ここで、膜電極接合体４を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。 Here, the electrolyte membrane 1 constituting the membrane electrode assembly 4 is, for example, a fluorine ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, It is formed from a non-fluorine polymer such as sulfonated phenylene sulfide.

また、触媒層２，３は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層５Ａ，５Ｂ等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。 The catalyst layers 2 and 3 are formed by mixing a conductive carrier (particulate carbon carrier or the like) on which a catalyst is supported, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to form a catalyst solution (catalyst ink). Then, the catalyst layer is formed by stretching it in a layer form with a coating blade, for example, on a substrate such as the electrolyte membrane 1 or the gas diffusion layers 5A and 5B and drying it in a hot air drying furnace or the like. The

ここで、触媒層２，３は、補強膜８Ａ，８Ｂが積層する領域、すなわち、非発電領域である周縁領域２２，３２と、補強膜８Ａ，８Ｂが積層しない領域、すなわち、発電領域である中央領域２１，３１で、それぞれの厚みが相違しており、中央領域２１，３１が相対的に厚層に形成されており、スタッキング時の圧縮力：Ｐが作用した図示の姿勢において、中央領域２１，３１の厚みと、周縁領域２２，３２の厚みに補強膜８Ａ，８Ｂを付加した厚みと、が同程度の厚み：ｔとなるものである（このときの、周縁領域２２，３２の厚み：ｔ’＜ｔ）。 Here, the catalyst layers 2 and 3 are regions where the reinforcing films 8A and 8B are stacked, that is, the peripheral regions 22 and 32 which are non-power generation regions, and regions where the reinforcing films 8A and 8B are not stacked, that is, a power generation region. The central regions 21 and 31 have different thicknesses, and the central regions 21 and 31 are formed in relatively thick layers. In the illustrated posture in which the compression force P during stacking is applied, the central region The thicknesses 21 and 31 and the thicknesses of the peripheral regions 22 and 32 plus the reinforcing films 8A and 8B are approximately the same thickness: t (the thickness of the peripheral regions 22 and 32 at this time). : T '<t).

一般的に、触媒層２，３は、補強膜８Ａ，８Ｂに比して低剛性であり、圧縮力に対する変形量も大きなことを勘案すれば、スタッキング時の圧縮力が作用し、触媒層２，３および補強膜８Ａ，８Ｂがそれぞれに固有の変形量で変形した際に、中央領域２１，３１の厚みと、周縁領域２２，３２の厚みに補強膜８Ａ，８Ｂを付加した厚みと、が同程度となるようにするためには、スタッキングされる前の状態で、中央領域の厚みが所定量だけ厚くなるように調整されているのがよい。 In general, the catalyst layers 2 and 3 are less rigid than the reinforcing membranes 8A and 8B, and considering that the amount of deformation with respect to the compression force is large, the compression force at the time of stacking acts, and the catalyst layer 2 , 3 and the reinforcing membranes 8A and 8B are deformed by their inherent deformation amounts, and the thickness of the central regions 21 and 31 and the thickness obtained by adding the reinforcing membranes 8A and 8B to the peripheral regions 22 and 32 are In order to achieve the same level, it is preferable that the thickness of the central region be adjusted to be a predetermined amount before stacking.

図示例のように、中央領域と周縁領域で双方の触媒層の厚みを異ならせる方法として、次のような方法を挙げることができる。まず、周縁領域２２，３２の厚みとなるまで触媒インクを塗工し、これを温風乾燥炉やホットプレート等で乾燥させて所望の剛性を付与させた後に、補強膜８Ａ，８Ｂの一部を積層させるようにして配設する。次に、たとえば、平面視が矩形枠状の補強膜８Ａ，８Ｂで包囲された中央領域に、この補強膜８Ａ，８Ｂの表面よりも触媒層が高くなるようにして触媒インクを塗工し、同様に乾燥させることで、中央領域の２層目の触媒インクに所望の剛性を付与し、図示のように厚みが異なる触媒層２，３を形成することができる。 As shown in the illustrated example, the following method can be cited as a method of making the thicknesses of the catalyst layers different between the central region and the peripheral region. First, the catalyst ink is applied until the thickness of the peripheral regions 22 and 32 is reached, and this is dried with a hot air drying furnace or a hot plate to give a desired rigidity, and then a part of the reinforcing films 8A and 8B. Are arranged so as to be laminated. Next, for example, a catalyst ink is applied to the center region surrounded by the reinforcing films 8A and 8B having a rectangular frame shape in plan view so that the catalyst layer is higher than the surface of the reinforcing films 8A and 8B. By drying similarly, desired rigidity can be imparted to the second layer of the catalyst ink in the central region, and catalyst layers 2 and 3 having different thicknesses can be formed as illustrated.

なお、他の形成方法として、中央領域で付加される分の触媒層の形成に際し、たとえばガス拡散層５Ａ，５Ｂの中央領域に対応する位置に触媒インクを塗工し、乾燥させる方法もある。このガス拡散層５Ａ，５Ｂ側で形成された触媒層を、周縁領域２２，３２の厚みを有し、その端部に補強膜８Ａ，８Ｂが配された電解質膜１表面の触媒層に当接し、ホットプレスすることで、図示のように厚みが異なる触媒層２，３を形成することができる。なお、この形成方法では、電解質膜１側に形成された周縁領域２２，３３の厚みを有する触媒層が第１の触媒層となり、ガス拡散層５Ａ，５Ｂ側に形成された触媒層が第２の触媒層となるもので、この複数層の触媒層から、図示のように厚みの異なる触媒層２，３が形成されることとなる。 As another forming method, there is also a method of applying a catalyst ink to a position corresponding to the central region of the gas diffusion layers 5A and 5B, for example, and drying it when forming the catalyst layer added in the central region. The catalyst layer formed on the gas diffusion layers 5A and 5B side is in contact with the catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane 1 having the thickness of the peripheral regions 22 and 32 and the reinforcing membranes 8A and 8B disposed at the ends thereof. By hot pressing, the catalyst layers 2 and 3 having different thicknesses can be formed as illustrated. In this formation method, the catalyst layer having the thickness of the peripheral regions 22 and 33 formed on the electrolyte membrane 1 side becomes the first catalyst layer, and the catalyst layer formed on the gas diffusion layers 5A and 5B side is the second catalyst layer. The catalyst layers 2 and 3 having different thicknesses are formed from the plurality of catalyst layers as shown in the drawing.

ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。 Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone And sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Examples of the dispersion solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, and diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. , Propylene carbonate, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen solvents, and these can be used alone or as a mixed solution. Furthermore, regarding a conductive carrier carrying a catalyst, examples of the conductive carrier include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. As this catalyst (metal catalyst), for example, any one of platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium, etc. can be used, preferably platinum or platinum alloy is used. It is good to do. Furthermore, as this platinum alloy, for example, platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium and lead An alloy with at least one of them can be mentioned.

また、ガス拡散層５Ａ，５Ｂは、拡散層基材５１ａ，５１ｂと集電層５２ａ，５２ｂからなるものであり、拡散層基材５１ａ，５１ｂとしては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材５１ａ，５１ｂの導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層５２ａ，５２ｂはアノード側、カソード側の触媒層３，２から電子を集める電極の役割を果たすとともに、生成水等を排水する撥水作用を有するものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料と、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）などから形成できる。 The gas diffusion layers 5A and 5B are composed of diffusion layer base materials 51a and 51b and current collection layers 52a and 52b. The diffusion layer base materials 51a and 51b have low electrical resistance and can collect current. If it is, it will not specifically limit, For example, what mainly has an electroconductive inorganic substance can be mentioned, As this electroconductive inorganic substance, the baking body from a polyacrylonitrile, the baking body from a pitch, Examples thereof include carbon materials such as graphite and expanded graphite, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, titanium, and the like. Further, the form of the conductive inorganic substance of the diffusion layer base materials 51a and 51b is not particularly limited, and for example, it is used in the form of fibers or particles, but is an inorganic conductive fiber from the viewpoint of gas permeability, Carbon fiber is particularly preferable. As the diffusion layer substrate using inorganic conductive fibers, a woven fabric or non-woven fabric structure can be used, and examples thereof include carbon paper and carbon cloth. The woven fabric is not particularly limited, such as plain weaving, crest weaving, and binding weaving, and examples of the nonwoven fabric include those made by a papermaking method, a needle punching method, and a water jet punching method. Further, examples of the carbon fiber include phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Further, the current collecting layers 52a and 52b serve as electrodes for collecting electrons from the catalyst layers 3 and 2 on the anode side and the cathode side, and have a water repellent action for draining generated water and the like. It can be formed from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, silver, copper and their compounds or alloys, a conductive carbon material, and a fluororesin (PTFE).

また、ガス流路層６Ａ，６Ｂは、エキスパンドメタルや金属発砲焼結体などの金属多孔体から形成されており、この発砲焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよく、さらには、ステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。 Further, the gas flow path layers 6A and 6B are formed of a porous metal body such as expanded metal or a metal fired sintered body, and the fired sintered body is excellent in corrosion resistance such as titanium, stainless steel, copper, and nickel. Further, a metal material may be used, and a foam in which chromium carbide or iron-chromium carbide is dispersed in stainless steel may be used.

さらに、補強膜８Ａ，８Ｂは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。 Further, the reinforcing films 8A and 8B are made of polytetrafluoroethylene, PVDF (polyvinyl difluoride), polyethylene, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyphenylene ether (PPE), polypropylene, polyester, polyamide, copolyamide, polyamide elastomer. , Polyimide, polyurethane, polyurethane elastomer, silicone, silicone rubber, silicon-based elastomer, and the like.

ガスケット９は、その端部のマニホールドＭの周縁に該マニホールドＭを囲繞する無端リブ（不図示）を有するものである。その成形方法の概要は、不図示の成形型内に３層構造のセパレータ７、アノード側のガス流路層６Ｂ，電極体、カソード側のガス流路層６Ａの順に収容して型閉めし、膜電極接合体４の側方のガスケット用キャビティ内に樹脂を注入する（射出成形）等の方法でおこなわれる。ここで、このガスケットの材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ウレタンＲＴＶゴムやブチルゴム系樹脂、シリコーンＲＴＶゴム、ＥＰＤＭ系樹脂等が使用できる。 The gasket 9 has an endless rib (not shown) surrounding the manifold M on the periphery of the manifold M at the end. The outline of the molding method is as follows: a three-layer separator 7, an anode-side gas flow path layer 6B, an electrode body, and a cathode-side gas flow path layer 6A are accommodated in this order in a mold (not shown), and the mold is closed. This is performed by a method such as injection of resin into the gasket cavity on the side of the membrane electrode assembly 4 (injection molding). Here, as the material of the gasket, methanol-resistant epoxy resin, epoxy-modified silicone resin, silicone resin, fluorine resin, urethane RTV rubber, butyl rubber resin, silicone RTV rubber, EPDM resin, etc. are used. it can.

また、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなるカソード側プレート７１，アノード側プレート７２と、その間に、金属素材もしくは樹脂素材で冷却水等の冷却媒体用流路が形成された中間層７３（中間プレート）が介層されたものである。このセパレータ７は、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側のガス流路層６Ｂに燃料ガスを供給するためのガス流路（不図示）と、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側のガス流路層６Ａに酸化剤ガスを供給するためのガス流路（不図示）が形成されており、さらには、上記する冷却媒体用流路（不図示）が形成されている。 The separator 7 having a three-layer structure includes a cathode side plate 71 and an anode side plate 72 made of stainless steel or titanium, and an intermediate layer in which a flow path for a cooling medium such as cooling water is formed between a metal material or a resin material. 73 (intermediate plate) is interposed. The separator 7 includes a gas flow path (not shown) for supplying fuel gas to the gas flow path layer 6B on the anode side of the fuel cell, which is a constituent element, and a cathode of an adjacent cell in the cell stacking posture. A gas flow path (not shown) for supplying an oxidant gas to the gas flow path layer 6A on the side is formed, and further, the above-described cooling medium flow path (not shown) is formed.

図１で示すように、スタッキング時の圧縮力：Ｐが作用した姿勢において、触媒層２，３の中央領域２１，３１、すなわち、発電領域の厚みと、触媒層２，３の周縁領域２２，３２（に補強膜８Ａ，８Ｂの厚みが付加されたもの）の厚みが同程度となることにより、従来構造のように、相対的に突出した補強膜を介して非発電領域に過度の圧縮力（もしくは面圧）が作用するという課題が効果的に解消され、発電領域に対して、所与の圧縮力を面内均一に作用させることができる。 As shown in FIG. 1, in the posture in which the compression force P during stacking is applied, the central regions 21 and 31 of the catalyst layers 2 and 3, that is, the thickness of the power generation region and the peripheral regions 22 and 3 of the catalyst layers 2 and 3 32 (with the thicknesses of the reinforcing films 8A and 8B added) are approximately the same, so that an excessive compressive force is applied to the non-power generation region via the relatively protruding reinforcing film as in the conventional structure. The problem that (or surface pressure) acts is effectively eliminated, and a given compressive force can be applied uniformly to the power generation region in the surface.

図２で示す燃料電池セル１０Ａは、スタッキング時の圧縮力：Ｐが作用した姿勢において、カソード側の触媒層２Ａの中央領域２１Ａ，アノード側の触媒層３Ａの中央領域３１Ａの厚み：ｔ１がそれぞれ、周縁領域２２，３２の厚みに補強膜８Ａ，８Ｂを付加した厚み：ｔに比して相対的に厚くなっている実施の形態を示している。 In the fuel cell 10A shown in FIG. 2, the thickness t1 of the central region 21A of the catalyst layer 2A on the cathode side and the central region 31A of the catalyst layer 3A on the anode side in the posture where the compressive force P during stacking is applied. In the embodiment, the thicknesses of the peripheral regions 22 and 32 plus the reinforcing films 8A and 8B are relatively thicker than t.

このような形態の膜電極接合体４Ａを具備する燃料電池セル１０Ａにおいても、非発電領域に過度の面圧が作用することを回避でき、所与の圧縮力を発電領域に付与することが可能となる。 Even in the fuel cell 10A including the membrane electrode assembly 4A having such a configuration, it is possible to avoid an excessive surface pressure from acting on the non-power generation region and to apply a given compressive force to the power generation region. It becomes.

図３で示す燃料電池セル１０Ｂは、図１で示す燃料電池セル１０の構成から、アノード側の触媒層の中央領域の厚み増分を廃した構造を有するものである。
すなわち、この膜電極接合体４Ｂにおいて、アノード側の触媒層３'は、その中央領域３１’と周縁領域３２の厚みが同程度である。 A fuel cell 10B shown in FIG. 3 has a structure in which the thickness increment of the central region of the catalyst layer on the anode side is eliminated from the configuration of the fuel cell 10 shown in FIG.
That is, in this membrane electrode assembly 4B, the anode-side catalyst layer 3 ′ has the same thickness in the central region 31 ′ and the peripheral region 32.

この形態でも、少なくともカソード側電極において、触媒層２の中央領域２１の厚みと、周縁領域２２の厚みに補強膜８Ａの厚みを付加した厚みと、が同程度となっていることから、たとえば図４で示す従来構造の燃料電池セルに比して、非発電領域に生じ得る過大な面圧は抑制される。 Even in this embodiment, at least in the cathode side electrode, the thickness of the central region 21 of the catalyst layer 2 and the thickness obtained by adding the thickness of the reinforcing film 8A to the thickness of the peripheral region 22 are approximately the same. Compared with the fuel cell of the conventional structure shown by No. 4, the excessive surface pressure which may arise in a non-power generation area | region is suppressed.

なお、図３で示す触媒層の構造が、アノード側とカソード側で逆転した形態であってもよいことは勿論のことである。さらには、図３の構造において、アノード側の補強膜８Ｂをさらに廃した形態であってもよい。尤も、その場合には、カソード側の補強膜８Ａのみで、ガス拡散層５Ａ，５Ｂからの毛羽の突き刺さりに起因した電解質膜１を貫通する貫通孔が形成されないことが担保される必要がある。 Of course, the structure of the catalyst layer shown in FIG. 3 may be reversed between the anode side and the cathode side. Further, in the structure of FIG. 3, the anode side reinforcing film 8B may be further eliminated. However, in that case, it is necessary to ensure that only the reinforcing film 8A on the cathode side does not form a through-hole penetrating the electrolyte membrane 1 due to fluff sticking from the gas diffusion layers 5A and 5B.

図１〜３で示す燃料電池セルが積層され、スタッキングされてなる燃料電池によれば、触媒層の厚みを、発電領域に対応する中央領域と、非発電領域に対応する周縁領域で変化させただけの極めて簡易な構造変更により、非発電領域に過大な面圧が作用するのを効果的に抑止することができ、もって、発電性能に優れた燃料電池となる。 According to the fuel cell in which the fuel cells shown in FIGS. 1 to 3 are stacked and stacked, the thickness of the catalyst layer is changed between the central region corresponding to the power generation region and the peripheral region corresponding to the non-power generation region. Only an extremely simple structural change can effectively prevent an excessive surface pressure from acting on the non-power generation region, and thus a fuel cell with excellent power generation performance can be obtained.

なお、実際の燃料電池は、図１〜３で示す燃料電池セルが所定段積層されて燃料電池スタックが形成される。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが配され、テンションプレートを介して圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。 In an actual fuel cell, the fuel cell shown in FIGS. 1 to 3 is stacked in a predetermined stage to form a fuel cell stack. Further, in the fuel cell stack, a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are arranged on the outermost side, and a compressive force is applied through a tension plate to form a fuel cell. A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.

１…電解質膜、１’…電解質膜の露出領域、２，２Ａ…カソード側の触媒層、２１，２１Ａ…中央領域、２２…周縁領域，３Ａ，３’…アノード側の触媒層、３１，３１Ａ，３１’…中央領域、３２…周縁領域、４，４Ａ，４Ｂ…膜電極接合体、５Ａ…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、５Ｂ…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、６Ａ…カソード側のガス流路層（ガス透過層）、６Ｂ…アノード側のガス流路層（ガス透過層）、７…セパレータ、７１…カソード側プレート、７２…アノード側プレート、７３…中間層（中間プレート）、８Ａ…カソード側の補強膜、８Ｂ…アノード側の補強膜、９…ガスケット、１０，１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池セル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane, 1 '... Exposed region of electrolyte membrane, 2, 2A ... Cathode side catalyst layer, 21, 21A ... Center region, 22 ... Peripheral region, 3A, 3' ... Anode side catalyst layer, 31, 31A , 31 '... center region, 32 ... peripheral region, 4, 4A, 4B ... membrane electrode assembly, 5A ... gas diffusion layer on the cathode side (gas permeable layer), 5B ... gas diffusion layer on the anode side (gas permeable layer) , 6A ... Cathode side gas passage layer (gas permeable layer), 6B ... Anode side gas passage layer (gas permeable layer), 7 ... Separator, 71 ... Cathode side plate, 72 ... Anode side plate, 73 ... Middle Layer (intermediate plate), 8A ... cathode side reinforcing membrane, 8B ... anode side reinforcing membrane, 9 ... gasket, 10, 10A, 10B ... fuel cell

Claims

電解質膜と、これよりも狭小な平面積で該電解質膜の両側で当接する触媒層と、から膜電極接合体が形成され、該膜電極接合体の両側にガス透過層が配され、ガス透過層の両側にセパレータが配されて燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されてなる燃料電池であって、
少なくとも、前記電解質膜のうち、触媒層で被覆されていない周縁の露出領域とガス透過層の間には、補強膜が介在し、かつ、該補強膜の一部が触媒層上に積層して積層箇所を形成しており、
前記触媒層において、前記積層箇所に対応する周縁領域の厚みは、該周縁領域の内側で補強膜が積層していない中央領域の厚みよりも薄くなっている、燃料電池。 A membrane electrode assembly is formed from the electrolyte membrane and a catalyst layer that is in contact with both sides of the electrolyte membrane with a smaller plane area than this, and a gas permeation layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly. A separator is arranged on both sides of the layer to form a fuel cell, and the fuel cell is a fuel cell in which the fuel cell is laminated,
At least, among the electrolyte membranes, a reinforcing membrane is interposed between the peripheral exposed region not covered with the catalyst layer and the gas permeable layer, and a part of the reinforcing membrane is laminated on the catalyst layer. Forming the laminated point,
In the catalyst layer, the thickness of the peripheral region corresponding to the stacking location is thinner than the thickness of the central region where the reinforcing film is not stacked inside the peripheral region.

前記触媒層は、少なくとも第１の触媒層と、これに積層する第２の触媒層と、からなる積層構造を呈しており、
前記周縁領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層の厚みで規定され、前記中央領域の厚みが少なくとも前記第１の触媒層および前記第２の触媒層の厚みの和で規定される、請求項１に記載の燃料電池。 The catalyst layer has a laminated structure including at least a first catalyst layer and a second catalyst layer laminated thereon,
The thickness of the peripheral region is defined by at least the thickness of the first catalyst layer, and the thickness of the central region is defined by at least the sum of the thicknesses of the first catalyst layer and the second catalyst layer. 2. The fuel cell according to 1.

前記中央領域よりも前記周縁領域の厚みが薄くなっている触媒層が、アノード側もしくはカソード側のいずれか一方にのみ配されている、請求項１または２に記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer in which the peripheral region is thinner than the central region is disposed only on either the anode side or the cathode side.

前記燃料電池セルが積層され、スタッキングされた際の姿勢において、前記積層箇所に対応する触媒層の前記周縁領域の厚みと前記補強膜の厚みの和が、触媒層の前記中央領域の厚みと同じか、それよりも薄くなっている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。 In the posture when the fuel cells are stacked and stacked, the sum of the thickness of the peripheral region of the catalyst layer corresponding to the stacking portion and the thickness of the reinforcing membrane is the same as the thickness of the central region of the catalyst layer. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell is thinner.

前記ガス透過層は、ガス拡散層、金属多孔体からなるガス流路層、該ガス拡散層と該ガス流路層の組み合わせ、のいずれかの形態からなり、
アノード側とカソード側双方のガス透過層が、複数の前記形態中の同一の形態、もしくは異なる形態のいずれかからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。 The gas permeable layer is in any form of a gas diffusion layer, a gas flow path layer made of a metal porous body, a combination of the gas diffusion layer and the gas flow path layer,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas permeable layers on both the anode side and the cathode side are formed of one of a plurality of the same forms or different forms.