JP2012221666A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Yasushi Sugawara
靖 菅原
Masaki Yamauchi
将樹 山内
Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
Takehiro Okanishi
岳太 岡西
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
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Panasonic Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of exhibiting sufficient durability even when a membrane catalyst layer assembly formed by means of a roll-to-roll process is used.SOLUTION: A polymer electrolyte fuel cell includes: a seal structure 9 which includes a first gasket part 9a having an annular and substantially rectangle shape, located on an outside of a periphery part of a first gas diffusion layer 5, and located between a first catalyst layer 2 on a peripheral part of a polymer electrolyte membrane 1 and a first separator 7, and a second gasket part 9b having an annular and substantially rectangle shape, located on an outside of a periphery part of the polymer electrolyte membrane 1, and located between the first separator 7 and a second separator 8; a gap 10 defined by at least the first catalyst layer 2, a second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1 and the seal structure 9; and a gap cooling mechanism 11 cooling the gap 10.

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

高分子電解質形燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを白金などの触媒層を有するガス拡散電極に供給し、電気化学的に反応させて電気と熱とを発生させる。この高分子電解質形燃料電池は、一般的に、水素イオンを輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を触媒と水素イオン伝導性高分子電解質とを混合した一対の触媒層が形成されている。この高分子電解質膜及び触媒層が一体化したものを膜触媒層接合体と呼ぶ。さらに、この触媒層の外側に、ガス通気性及び電子伝導性を併せ持つ、一対のガス拡散層が形成されている。このガス拡散層としては、例えば、撥水処理を施したカーボンペーパーが用いられる。この触媒層とガス拡散層とを合わせてガス拡散電極と呼ぶ。このガス拡散電極及び高分子電解質膜を一体化したものを膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane-electrode assembly）と呼ぶ。   In a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as air are supplied to a gas diffusion electrode having a catalyst layer such as platinum and electrochemically reacted to generate electricity and heat. In this polymer electrolyte fuel cell, generally, a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is mixed with a catalyst and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte on both sides of a polymer electrolyte membrane that transports hydrogen ions. A pair of catalyst layers is formed. A combination of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is called a membrane-catalyst layer assembly. Further, a pair of gas diffusion layers having both gas permeability and electronic conductivity are formed outside the catalyst layer. As this gas diffusion layer, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment is used. The catalyst layer and the gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion electrode. An assembly of the gas diffusion electrode and the polymer electrolyte membrane is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA).

ところで、膜電極接合体の製造に際し、量産性の観点からロールトゥロールプロセス(roll to roll process)により触媒層を電解質膜の両面あるいは片面にコートした膜触媒層接合体（Catalyst Coated Membrane）を作成することが試みられている。   By the way, in the production of membrane electrode assemblies, from the viewpoint of mass production, a membrane catalyst layer assembly (Catalyst Coated Membrane) in which a catalyst layer is coated on both sides or one side of an electrolyte membrane by a roll to roll process is prepared. It has been tried to do.

すなわち、ロールトゥロールプロセスとは、電解質膜単体あるいは補強用の基材フィルムとラミネートされた電解質膜のロールから電解質膜を別ロールに巻き取りながら、連続的に電解質膜上に触媒層を形成していくプロセスである。触媒層の形成プロセスとして、例えば、基材シート上に触媒層が形成された長尺の触媒転写シートを、ロールから引き出されて移動している長尺の電解質膜に加熱圧着した後、触媒転写シートから基材シートを剥離することにより当該電解質膜上に連続的に触媒層を転写するプロセスが知られている（例えば特許文献１参照）。また、スプレー塗工、ダイ塗工、スクリーン印刷などの塗工工程、塗工膜を加熱したローラーに圧着したり、熱風を送風したりして乾燥する乾燥工程、触媒層を形成した電解質膜を別ロールに巻き取る巻き取り工程により電解質膜上に触媒層を形成するプロセスが知られている。これらのプロセスでは、各工程が連続的に進行することにより長尺の膜触媒層接合体を高い生産性をもって安価に製作することができる。ところで、後者のプロセスでは、長尺の膜触媒層接合体を安価に製作するためには作業能率に最も大きく影響する塗工工程の処理速度が非常に重要であり、間欠的な塗工方法であるスクリーン印刷よりロールの巻き取り方向に対して非塗工部を作らずに連続的に塗工するスプレー塗工やダイ塗工が生産性向上に適している。また、触媒形成材料の歩留まりの観点からは間欠的に塗工する方が望ましいが、電解質膜の進行方向に対して塗工面の始端と終端を直線状に揃えて塗工することは非常に困難であることから、やはり連続塗工により長尺の膜触媒層接合体を製作することが一般的である。従って、両側に帯状の余白を残して触媒層が形成された長尺の膜触媒層接合体を幅方向に切断して、当該余白を発電部周辺のガスシールをする領域として含む片状の膜触媒層接合体（以下、単に膜触媒層接合体という）を当該長尺の膜触媒層接合体から切り出し、その膜触媒層接合体を燃料電池に組み込むことが一般的である。   In other words, the roll-to-roll process is a process in which a catalyst layer is continuously formed on an electrolyte membrane while winding the electrolyte membrane on a separate roll from the electrolyte membrane alone or a roll of electrolyte membrane laminated with a reinforcing base film. It is a process that goes on. As a process for forming the catalyst layer, for example, a long catalyst transfer sheet having a catalyst layer formed on a base sheet is heat-pressed to a long electrolyte membrane that is drawn and moved from a roll, and then transferred to the catalyst layer. A process is known in which a catalyst layer is continuously transferred onto the electrolyte membrane by peeling the substrate sheet from the sheet (see, for example, Patent Document 1). Also, the coating process such as spray coating, die coating, screen printing, etc., the drying process that presses the coating film to a heated roller, or blows hot air to dry, the electrolyte film that forms the catalyst layer A process is known in which a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane by a winding process of winding on another roll. In these processes, a continuous membrane-catalyst layer assembly can be manufactured with high productivity at low cost by continuously progressing each step. By the way, in the latter process, in order to produce a long membrane-catalyst layer assembly at low cost, the processing speed of the coating process that has the greatest effect on the work efficiency is very important. Spray coating or die coating, in which continuous coating is performed without forming a non-coated portion in the roll winding direction from a certain screen printing, is suitable for improving productivity. In addition, it is desirable to apply intermittently from the viewpoint of the yield of the catalyst-forming material, but it is very difficult to apply with the start and end of the coating surface aligned in a straight line with respect to the traveling direction of the electrolyte membrane. Therefore, it is common to produce a long membrane catalyst layer assembly by continuous coating. Accordingly, a long membrane-catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on both sides leaving a strip-shaped blank is cut in the width direction, and the blank is included in the strip as a region for gas sealing around the power generation unit. Generally, a catalyst layer assembly (hereinafter simply referred to as a membrane catalyst layer assembly) is cut out from the long membrane catalyst layer assembly and the membrane catalyst layer assembly is incorporated into a fuel cell.

特開２０１０−１８２５６３号公報JP 2010-182563 A

しかしながら、ロールトゥロールプロセスにより作成された長尺の膜触媒層接合体から切り出した膜触媒層接合体を用いた燃料電池システムは、耐久性が十分でないという課題があった。   However, the fuel cell system using the membrane catalyst layer assembly cut out from the long membrane catalyst layer assembly produced by the roll-to-roll process has a problem that the durability is not sufficient.

本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、ロールトゥロールプロセスにより作成された膜触媒層接合体を用いても十分な耐久性を発揮できる高分子電解質形燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of exhibiting sufficient durability even when a membrane catalyst layer assembly produced by a roll-to-roll process is used. is there.

上記課題を解決するために、本発明のある形態(aspect)に係る高分子電解質形燃料電池は、一対の第１主面及び第２主面を有する略矩形状の高分子電解質膜と、略矩形状であり、前記第１主面と対向し、かつ、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記高分子電解質膜の少なくとも１辺の周縁部を覆うように延びる第１触媒層と、略矩形状であり、前記第２主面と対向し、かつ、前記厚み方向から見て前記少なくとも１辺の周縁部を覆うように延びる第２触媒層と、略矩形状であり、前記厚み方向と垂直な方向から見て前記第１触媒層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１触媒層の周縁部より内方を覆うように延びる第１ガス拡散層と、略矩形状であり、前記垂直な方向から見て前記第２触媒層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記厚み方向から見て前記第２触媒層の周縁部より内方を覆うように延びる第２ガス拡散層と、略矩形状であり、前記垂直な方向から見て前記第１ガス拡散層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記厚み方向から見てその周縁部が前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置するように配置された第１セパレータと、略矩形状であり、前記垂直な方向から見て前記第２ガス拡散層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記厚み方向から見てその周縁部が前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置するように配置された第２セパレータと、環状で略矩形状であり、前記厚み方向から見て前記第１ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部にある第１触媒層と前記第１セパレータとの間に位置する第１ガスケット部と、環状で略矩形状であり、前記厚み方向から見て前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に位置する第２ガスケット部と、を含むシール構造と、少なくとも、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記シール構造と、により規定された隙間と、前記隙間を冷却する隙間冷却機構と、を備える。   In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to an aspect of the present invention includes a substantially rectangular polymer electrolyte membrane having a pair of first main surface and second main surface; A first catalyst layer that is rectangular, faces the first main surface, and extends so as to cover a peripheral portion of at least one side of the polymer electrolyte membrane as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane; A second catalyst layer that is substantially rectangular, faces the second main surface, and extends so as to cover the peripheral edge of the at least one side when viewed from the thickness direction; And on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the first catalyst layer as viewed from the direction perpendicular to the inner surface, and inward from the peripheral edge of the first catalyst layer as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. A first gas diffusion layer extending so as to cover, and a substantially rectangular shape; A second gas diffusion layer extending on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the second catalyst layer and extending inward from the peripheral edge of the second catalyst layer when viewed from the thickness direction; It is a shape, and it is on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the first gas diffusion layer when viewed from the vertical direction, and its peripheral portion is the periphery of the polymer electrolyte membrane when viewed from the thickness direction. A first separator disposed so as to be positioned on the outer side, a substantially rectangular shape, and on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the second gas diffusion layer when viewed from the vertical direction, and the thickness A second separator disposed so that a peripheral edge thereof is located outside a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane when viewed from the direction, and an annular and substantially rectangular shape, and the first gas diffusion layer when viewed from the thickness direction Is located outside the peripheral edge of the A first gasket portion located between the first catalyst layer and the first separator at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane; And a second gasket portion positioned outside the periphery of the polymer electrolyte membrane as viewed from above and positioned between the first separator and the second separator as viewed from the vertical direction. And a gap defined by at least the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the seal structure, and a gap cooling mechanism that cools the gap.

前記シール構造は、さらに、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部に位置する第２触媒層と前記第２セパレータとの間に位置する第３ガスケット部を含み、前記隙間は、前記第１及び第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記シール構造又は前記シール構造並びに前記第１及び第２セパレータと、により規定されてもよい。   The seal structure is further annular and substantially rectangular, and is located outside the periphery of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and the periphery of the polymer electrolyte membrane Or a third gasket portion located between the second catalyst layer located at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane and the second separator, and the gap includes the first and second catalyst layers and the high It may be defined by the molecular electrolyte membrane, the seal structure or the seal structure, and the first and second separators.

前記隙間冷却機構は、前記第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方に、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記隙間に重なるように形成された冷却流体流路により構成されてもよい。   The gap cooling mechanism may be configured by a cooling fluid channel formed on at least one of the first separator and the second separator so as to overlap the gap when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. .

前記隙間冷却機構は、前記隙間の熱を、前記高分子電解質形燃料電池を通って当該高分子電解質形燃料電池の外部に導き出して放熱する放熱機構により構成されてもよい。   The gap cooling mechanism may be configured by a heat dissipation mechanism that guides heat of the gap through the polymer electrolyte fuel cell to the outside of the polymer electrolyte fuel cell to radiate heat.

前記放熱機構は、前記隙間に設けられ当該隙間の熱を受け取る冷却板と、前記冷却板から前記第１セパレータ又は第２セパレータを通って前記高分子電解質形燃料電池の外部まで延びるように形成され、当該冷却板の熱を伝導する熱伝導部材と、前記熱伝導部材に接続されて前記高分子電解質形燃料電池の外部に設けられ、前記熱伝導部材から伝達される熱を放熱する放熱フィンと、を備えてもよい。   The heat dissipating mechanism is formed to be provided in the gap and receive a heat from the gap, and to extend from the cooling plate to the outside of the polymer electrolyte fuel cell through the first separator or the second separator. A heat conducting member that conducts heat of the cooling plate; and a radiation fin that is connected to the heat conducting member and is provided outside the polymer electrolyte fuel cell to dissipate heat transmitted from the heat conducting member. , May be provided.

前記放熱機構は、前記隙間に設けられ当該隙間の熱を受け取る冷却板と、前記冷却板から前記シール構造の第２ガスケット部を通って前記高分子電解質形燃料電池の外部まで延びるように形成され、当該冷却板の熱を伝導する熱伝導部材と、前記熱伝導部材に接続されて前記高分子電解質形燃料電池の外部に設けられ、前記熱伝導部材から伝達される熱を放熱する放熱フィンと、を備えてもよい。   The heat dissipating mechanism is formed to extend from the cooling plate to the outside of the polymer electrolyte fuel cell through the second gasket portion of the seal structure provided in the gap and receiving heat from the gap. A heat conducting member that conducts heat of the cooling plate; and a radiation fin that is connected to the heat conducting member and is provided outside the polymer electrolyte fuel cell to dissipate heat transmitted from the heat conducting member. , May be provided.

前記隙間冷却機構は、前記第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方に形成された冷却流体流路と前記隙間とを連通する連通路により構成されてもよい。   The gap cooling mechanism may be configured by a communication passage that connects the cooling fluid channel formed in at least one of the first separator and the second separator and the gap.

前記第１触媒層及び第２触媒層は、前記高分子電解質膜の４辺又は互いに対向する２辺の周縁部を覆うように延びていてもよい。   The first catalyst layer and the second catalyst layer may extend so as to cover the peripheral sides of the four sides or the two sides facing each other of the polymer electrolyte membrane.

前記シール構造は、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部にある第１触媒層と前記第１セパレータとの間に位置する前記第１ガスケット部としての第１ガスケットと、環状で略矩形状であり、前記厚み方向から見て前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に位置する前記第２ガスケット部としての第２ガスケットと、を備え、前記隙間は、少なくとも、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記第１ガスケットと、前記第１セパレータと、前記第２ガスケットと、前記第２セパレータと、により規定されてもよい。   The seal structure is annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the first gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is the polymer when viewed from the vertical direction. The first gasket as the first gasket portion located between the first catalyst layer and the first separator at the periphery of the electrolyte membrane or the periphery of the polymer electrolyte membrane is annular and substantially rectangular. The second gasket portion located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane as seen from the thickness direction and located between the first separator and the second separator as seen from the perpendicular direction. The second gasket, and the gap includes at least the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, the first gasket, the first separator, and the first separator. 2 gaskets and front A second separator, may be defined by.

前記シール構造は、さらに、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第２ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部に位置する第２触媒層と前記第２セパレータとの間に位置する前記第３ガスケット部としての第３ガスケットを備えて構成され、前記隙間は、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記第１ガスケットと、前記第１セパレータと、前記第２ガスケットと、前記第２セパレータと、前記第３ガスケットと、により規定されてもよい。   The seal structure is further annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is viewed from the vertical direction. A third gasket as the third gasket portion located between the second catalyst layer located at the periphery of the polymer electrolyte membrane or the periphery of the polymer electrolyte membrane and the second separator; The gap includes the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, the first gasket, the first separator, the second gasket, the second separator, And a third gasket.

前記シール構造は、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部にある第１触媒層と前記第１セパレータとの間に位置する前記第１ガスケット部と、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に位置する前記第２ガスケット部と、前記第１ガスケット部と前記第２ガスケット部とを接続する第１接続部と、を含む１つの枠状ガスケットにより構成され、前記隙間は、少なくとも、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記枠状ガスケットと、により規定されてもよい。   The seal structure is annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the first gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is the polymer when viewed from the vertical direction. The first gasket portion positioned between the first catalyst layer and the first separator at the peripheral edge of the electrolyte membrane or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane; and the ring-shaped and substantially rectangular shape, and the polymer electrolyte The second gasket portion located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane as seen from the thickness direction of the membrane and located between the first separator and the second separator as seen from the perpendicular direction; And a first connecting portion that connects the first gasket portion and the second gasket portion, and the gap includes at least the first catalyst layer and the second catalyst. Layer and said polymer electrolyte When, with the frame-like gasket may be defined by.

前記枠状ガスケットは、さらに、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第２ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部に位置する第２触媒層と前記第２セパレータとの間に位置する前記第３ガスケット部と前記第３ガスケット部と前記第２ガスケット部とを接続する第２接続部と、を含み、前記隙間は、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記枠状ガスケットと、により規定されてもよい。   The frame-like gasket is further annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is viewed from the vertical direction. The third gasket portion, the third gasket portion, and the second gasket positioned between the second catalyst layer and the second separator located at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane. A second connecting portion that connects the gasket portion, and the gap is defined by the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the frame-shaped gasket. Also good.

本発明は以上のように構成され、ロールトゥロールプロセスにより作成された膜触媒層接合体を用いても、十分な耐久性を発揮できる高分子電解質形燃料電池を提供できるという効果を奏する。   The present invention has the effect of providing a polymer electrolyte fuel cell that is configured as described above and can exhibit sufficient durability even when a membrane catalyst layer assembly produced by a roll-to-roll process is used.

図１は実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1. 図２は、図１の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。FIG. 2 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図３は、図１の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの背面図である。FIG. 3 is a rear view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図４は実施の形態１の変形例１に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 1 of Embodiment 1. 図５は、図４の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。FIG. 5 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図６は本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. 図７は実施の形態２の変形例２に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 2 of Embodiment 2. 図８は実施の形態２の変形例３に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 3 of Embodiment 2. 図９は実施の形態２の変形例４に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 4 of Embodiment 2. 図１０は本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. 図１１は、図１０の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。FIG. 11 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図１２は、図１０の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの背面図である。12 is a rear view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図１３は実施の形態３の変形例５に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 5 of Embodiment 3. 図１４は実施の形態３のその他の変形例に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to another modification of the third embodiment. 図１５は実施の形態３のその他の変形例に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to another modification of the third embodiment. 図１６は本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. 図１７は、図１６の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。FIG. 17 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図１８は、図１７の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの背面図である。18 is a rear view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 図１９は膜触媒層接合体における触媒層の形成態様を示す平面図である。FIG. 19 is a plan view showing the formation mode of the catalyst layer in the membrane-catalyst layer assembly. 図２０は膜触媒層接合体の高分子電解質膜の余白を有する辺における触媒層の端の態様を示す平面図である。FIG. 20 is a plan view showing an aspect of the end of the catalyst layer on the side having a margin of the polymer electrolyte membrane of the membrane / catalyst layer assembly. 図２１（ａ），（ｂ）は、ロールトゥロールプロセスにより製造された長尺の膜触媒層接合体からの片状の膜触媒層接合体の切り出し態様を模式的に示す斜視図である。FIGS. 21A and 21B are perspective views schematically showing a cut-out form of a piece-like membrane catalyst layer assembly from a long membrane catalyst layer assembly produced by a roll-to-roll process. 図２２は、本発明の燃料電池を開発する途上で作成された試作品の燃料電池の構成を示す要部概略断面図である。FIG. 22 is a schematic cross-sectional view of the main part showing the configuration of a prototype fuel cell created in the course of developing the fuel cell of the present invention. 図２３は試作品及び比較品の耐久試験結果を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing the durability test results of the prototype and the comparative product. 図２４は比較品の燃料電池の要部概略断面図である。FIG. 24 is a schematic sectional view of an essential part of a comparative fuel cell. 図２５（ａ），（ｂ），（ｃ）は比較実験の条件、結果等を示す表１乃至表３である。25 (a), (b), and (c) are Tables 1 to 3 showing conditions and results of comparative experiments.

（本発明の基礎となった知見）
図２２は、本発明の燃料電池を開発する途上で作成された試作品の燃料電池の構成を示す要部概略断面図である。 (Knowledge that became the basis of the present invention)
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view of the main part showing the configuration of a prototype fuel cell created in the course of developing the fuel cell of the present invention.

図２２に示すように、連続塗工プロセスにより作成された長尺の膜触媒層接合体から切り出した形状の膜触媒層接合体４を、その両側よりガスの拡散機能及び集電機能を有する第１ガス拡散層５及び第２ガス拡散層６で挟持し、さらにその両側より反応ガス流路を有する面をそれぞれガス拡散層側に向けた第１セパレータ７及び第２セパレータ８で挟持して単セルを構成し、この単セルの両側を、順に配置された一対の集電板、一対の絶縁板、及び一対の端板（いずれも図示せず）により挟持し、適宜な圧力で締結して単電池とした。一対のガス拡散層５，６は、厚み方向から見たサイズが、膜触媒層接合体４より小さく調整されており、膜触媒層接合体４を一対のガス拡散層５，６で挟持すると当該一対のガス拡散層５，６の外周から膜触媒層接合体４の周縁部が露出する状態になる。上記単電池では、反応ガス流路から単電池外へのガス漏洩を防止するために一対の内側ガスケット６１が膜触媒層接合体４の周縁部の両側に配置され、また高分子電解質膜１の端面からの水分蒸発を防止するために一対のセパレータ７，８の周縁部間に外側ガスケット６２が配置されている。   As shown in FIG. 22, the membrane / catalyst layer assembly 4 having a shape cut out from the long membrane / catalyst layer assembly produced by the continuous coating process has a gas diffusion function and a current collection function from both sides. 1 gas diffusion layer 5 and second gas diffusion layer 6 are sandwiched between the first separator 7 and the second separator 8 with the surfaces having the reaction gas flow channels from both sides facing the gas diffusion layer side. A cell is formed, and both sides of the single cell are sandwiched by a pair of current collector plates, a pair of insulating plates, and a pair of end plates (none of which are shown), and are fastened at an appropriate pressure. A single cell was used. The size of the pair of gas diffusion layers 5 and 6 is adjusted to be smaller than that of the membrane catalyst layer assembly 4 in the thickness direction, and when the membrane catalyst layer assembly 4 is sandwiched between the pair of gas diffusion layers 5 and 6, The periphery of the membrane catalyst layer assembly 4 is exposed from the outer periphery of the pair of gas diffusion layers 5 and 6. In the unit cell, a pair of inner gaskets 61 are disposed on both sides of the peripheral edge of the membrane catalyst layer assembly 4 in order to prevent gas leakage from the reaction gas flow path to the outside of the unit cell. An outer gasket 62 is disposed between the peripheral portions of the pair of separators 7 and 8 in order to prevent moisture evaporation from the end faces.

このような構成とすることで、ロールトゥロールプロセスにより作成された膜触媒層接合体４を用いた燃料電池を実現することができる。このように高い生産性を持ったプロセスによる安価に製作された膜触媒層接合体４を用いることにより、品質の安定した低コストの燃料電池を生産することが可能となる。   By setting it as such a structure, the fuel cell using the membrane catalyst layer assembly 4 produced by the roll to roll process is realizable. By using the membrane catalyst layer assembly 4 manufactured at low cost by a process with high productivity in this way, it becomes possible to produce a low-cost fuel cell with stable quality.

しかしながら、既述の通り、膜触媒層接合体４を用いた燃料電池は性能が十分ではなかった。   However, as described above, the performance of the fuel cell using the membrane catalyst layer assembly 4 was not sufficient.

図２３は、第１予備実験において、２種類の電池Ａ、電池Ｂを図２５（ａ）の表１に示す試験条件で運転した耐久試験結果を示す。   FIG. 23 shows the endurance test results of operating the two types of batteries A and B under the test conditions shown in Table 1 of FIG. 25A in the first preliminary experiment.

第１予備実験の実験方法を以下に示す。   The experimental method of the first preliminary experiment is shown below.

電池Ａは、電解質膜の周縁部まで触媒層を有する膜触媒層接合体４を用いた単電池であり、図２２の試作品に相当する。高分子電解質膜の材料としてはPET基材にラミネートされた厚み５０μm、幅１００ｍｍのロール状の高分子電解質膜（Nafion［登録商標］ NRE-212）を用いた。触媒層の材料としては田中貴金属株式会社製の触媒TEC10E50Eとデュポン社製Nafion（登録商標）10 wt. % dispersionをカーボン／イオノマー比率が１．０、固形分比18ｗｔ％となるように超音波攪拌・混合したインクを作成したものを、図２１のようにダイ塗工にて触媒層の幅が９０ｍｍとなり、Pt量が０．６ｍｇ／ｃｍ２となるように、ロールから引き出された高分子電解質膜に連続的に塗工した。塗工後、片面に触媒が塗工された高分子電解質膜（CCM：Catalyst Coated Membrane）は乾燥炉にて速やかに乾燥された。その後、塗工裏面のPET基材がデラミネートされ（delaminated）、乾燥した塗工面側にPET基材をラミネートし（laminated）、巻き取られた（rolled up）。次に同じインクを用いて未塗工面に対しても触媒層の幅が９０ｍｍ、Pt量が０．６ｍｇ／ｃｍ２となるように、連続的に塗工し、乾燥させた。 The battery A is a single cell using the membrane-catalyst layer assembly 4 having the catalyst layer up to the peripheral edge of the electrolyte membrane, and corresponds to the prototype of FIG. As a material for the polymer electrolyte membrane, a roll-shaped polymer electrolyte membrane (Nafion [registered trademark] NRE-212) having a thickness of 50 μm and a width of 100 mm laminated on a PET substrate was used. The catalyst layer is composed of Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. TEC10E50E and DuPont Nafion (registered trademark) 10 wt.% Dispersion with a carbon / ionomer ratio of 1.0 and a solid content ratio of 18 wt%. The polymer ink drawn out of the roll was prepared so that the mixed ink was made by die coating as shown in FIG. 21 so that the width of the catalyst layer was 90 mm and the amount of Pt was 0.6 mg / cm 2. The film was continuously applied. After coating, a polymer electrolyte membrane (CCM: Catalyst Coated Membrane) having a catalyst coated on one side was quickly dried in a drying furnace. Thereafter, the PET substrate on the back side of the coating was delaminated, and the PET substrate was laminated on the dried coated side, and rolled up. Next, using the same ink, it was continuously applied to the uncoated surface so that the width of the catalyst layer was 90 mm and the Pt amount was 0.6 mg / cm 2, and dried.

次に両面に触媒層が塗工されたＣＣＭの触媒層の中心部を、図、２１（ａ）に示すように、６５ｍｍ×６５ｍｍの抜き型で打ち抜くことで、触媒層が高分子電解質膜の端部まで覆う態様の膜触媒層接合体を構成した。   Next, as shown in FIG. 21 (a), the central portion of the CCM catalyst layer coated with the catalyst layer on both sides is punched with a 65 mm × 65 mm punch, so that the catalyst layer is made of a polymer electrolyte membrane. A membrane-catalyst layer assembly having an aspect covering up to the end was constituted.

ガス拡散層５、６は、東レ株式会社製カーボンペーパーTGP-H-120（厚み３６０μｍ）に対し、乾燥後のPTFE重量比率が20wt%となるように、ダイキン工業株式会社製ポリフロン PTFE D-1Eを含浸した後、乾燥させ、更に焼成することにより撥水化処理を行い、６０ｍｍ×６０ｍｍの抜き型でうちぬいて製造した。内側ガスケット６１の材料としてはフッ素ゴムで成形試作した中央に矩形の穴が形成された矩形のシール材（幅２ｍｍ、内側サイズ６０ｍｍ×６０ｍｍ、外側サイズ６４ｍｍ×６４ｍｍ、厚み450μｍ）を用い、外側ガスケット６２の材料としてはフッ素樹脂で成形試作した中央に矩形の穴が形成された矩形のシール材（幅２ｍｍ、内側サイズ６７ｍｍ×６７ｍｍ、外側サイズ７１ｍｍ×７１ｍｍ、厚み０．９ｍｍ）を用いた。セパレータ７，８の材料としてはグラシィカーボン材（１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み５ｍｍ）を用い、ガス流路の幅は1ｍｍ、深さは1ｍｍとし、発電領域であるガス拡散層に当接する領域（６０ｍｍ×６０ｍｍ）に５本流路でサーペンタイン流路を切削加工した。電池Ａは、膜触媒層接合体４を一対の内側ガスケット６１が挟持するように構成した。   The gas diffusion layers 5 and 6 are made of Daikin Industries, Ltd. polyflon PTFE D-1E so that the PTFE weight ratio after drying is 20 wt% with respect to carbon paper TGP-H-120 (thickness 360 μm) manufactured by Toray Industries, Inc. After being impregnated with water, it was dried and further fired to give a water repellent treatment, which was produced by punching with a 60 mm × 60 mm punching die. As the material of the inner gasket 61, a rectangular sealing material (width 2 mm, inner size 60 mm × 60 mm, outer size 64 mm × 64 mm, thickness 450 μm) formed with a prototype made of fluororubber and having a rectangular hole in the center is used. As a material of 62, a rectangular sealing material (width 2 mm, inner size 67 mm × 67 mm, outer size 71 mm × 71 mm, thickness 0.9 mm), which was formed and prototyped with a fluororesin and formed with a rectangular hole in the center, was used. As a material for the separators 7 and 8, a glassy carbon material (120 mm × 120 mm, thickness 5 mm) is used. The width of the gas flow path is 1 mm, the depth is 1 mm, and the region (60 mm) in contact with the gas diffusion layer as the power generation region. The serpentine channel was cut with 5 channels to × 60 mm). The battery A was configured such that the pair of inner gaskets 61 sandwiched the membrane catalyst layer assembly 4.

電池Ｂは電池Ａとの比較用に作成された比較品の燃料電池であり、その要部概略断面を図２４に示す。電池Ｂは高分子電解質膜１の周縁部にまで触媒層を有しておらず、膜触媒層接合体４の周縁部は高分子電解質膜１が露出している点以外は、電池Ａと同様の構成（材料、大きさ、形状など）とした。具体的にはロール状の高分子電解質膜の一方の面に対し６０ｍｍ×６０ｍｍの矩形の開口部を有するＰＥＴ基材マスキングシートをラミネートしてから触媒層を塗工することで、６０ｍｍ×６０ｍｍの矩形の触媒層を製造した。その後、反対側の面にも、膜を挟んで上記触媒層と対向するように触媒層を塗工し、乾燥させた。得られたＣＣＭを、矩形触媒層を中心にして６５ｍｍ×６５ｍｍの抜き型で打ち抜いた後、マスキングシートを取り除くことで、触媒層が高分子電解質膜の周縁部を覆わない態様の膜触媒層接合体を構成した。そして当該膜触媒層接合体の周縁部において高分子電解質膜１が露出している部分を、一対の内側ガスケット６１で挟持した。ガス拡散層５、６と内側ガスケット６１と外側ガスケット６２とについては、その形状および材料は、電池Ａと同様とした。   The battery B is a comparative fuel cell prepared for comparison with the battery A, and FIG. Battery B does not have a catalyst layer as far as the periphery of polymer electrolyte membrane 1, and the periphery of membrane-catalyst layer assembly 4 is the same as battery A except that polymer electrolyte membrane 1 is exposed. (Material, size, shape, etc.). Specifically, by laminating a PET base material masking sheet having a rectangular opening of 60 mm × 60 mm to one surface of the roll-shaped polymer electrolyte membrane, a catalyst layer is applied, and then, 60 mm × 60 mm A rectangular catalyst layer was produced. Then, the catalyst layer was applied to the opposite surface so as to face the catalyst layer with the membrane in between and dried. The obtained CCM is punched out with a 65 mm × 65 mm punch centered on a rectangular catalyst layer, and then the masking sheet is removed, so that the catalyst layer does not cover the periphery of the polymer electrolyte membrane. Constructed the body. And the part which the polymer electrolyte membrane 1 exposed in the peripheral part of the said membrane catalyst layer assembly was pinched | interposed with a pair of inner gasket 61. FIG. The gas diffusion layers 5 and 6, the inner gasket 61, and the outer gasket 62 have the same shape and material as those of the battery A.

実験では、１０個のセルを積み重ねてスタックとし、表１の条件下で発電を行って電圧の低下を観測した。また、スタックの両極から排出される排ガス中の水分を採取し、イオンクロマトグラフィという方法および装置（DIONEX社製ICS-90）を使って、フッ素イオン溶出速度（Fluoline Release Rate：FRR、[μg/cm2/day]）を測定した。 In the experiment, 10 cells were stacked to form a stack, and power generation was performed under the conditions shown in Table 1 to observe a voltage drop. In addition, the moisture in the exhaust gas discharged from both poles of the stack is collected and the ion elution rate (Fluoline Release Rate: FRR, [μg / cm] using a method and device called ion chromatography (ICS-90 manufactured by DIONEX) 2 / day]).

高分子電解質膜１の劣化指標である排出ガス中のフッ素イオン溶出速度は、電池Ｂでは０．１μg/cm2/dayであるのに対し、電池Ａでは初期から２０μg/cm2/dayと電池Ａの約２００倍となり、その後、加速的に増加した。電池Ｂは、１３００ｈを超えても電圧低下が起こらなかったのに対し、電池Ａは、約１０００ｈで高分子電解質膜１に貫通孔が発生し、発電不能となった。 The elution rate of fluorine ions in the exhaust gas, which is an indicator of deterioration of the polymer electrolyte membrane 1, is 0.1 μg / cm 2 / day in the battery B, whereas it is 20 μg / cm 2 / day from the initial time in the battery A. It was about 200 times that of A, and then increased at an accelerated rate. In the battery B, no voltage drop occurred even after 1300 h, whereas in the battery A, a through-hole was generated in the polymer electrolyte membrane 1 in about 1000 h, and power generation was impossible.

本発明者らはこのように電池Ａの性能が十分でない理由を検討した結果、以下の知見を得た。   As a result of examining the reason why the performance of the battery A is not sufficient, the present inventors have obtained the following knowledge.

すなわち、試作品のように構成された燃料電池では、触媒層の上から押圧している内側ガスケット６１は反応ガス流路から触媒層２，３を通じた反応ガスの漏洩（以下、触媒層を経由した反応ガスのリークには、触媒層の内部を経由した反応ガスのリークと、触媒層とガスケットとの界面を経由した反応ガスのリークの両方を含むものとする）を完全には防止できておらず、一対の触媒層２，３から漏洩した反応ガスが膜触媒層接合体４の端部と、一対の内側ガスケット６１と、外側ガスケット６２と、第１セパレータ７と、第２セパレータ８とで規定される空間を通じてＣ字状にリークして互いに混合する（以下、「Ｃリーク」という）ことを見出した。これが、本発明を想到する契機となった知見である。   That is, in the fuel cell configured as a prototype, the inner gasket 61 pressed from above the catalyst layer leaks reaction gas from the reaction gas flow path through the catalyst layers 2 and 3 (hereinafter, via the catalyst layer). The reaction gas leak includes both the reaction gas leak through the inside of the catalyst layer and the reaction gas leak through the interface between the catalyst layer and the gasket). The reaction gas leaked from the pair of catalyst layers 2 and 3 is defined by the ends of the membrane catalyst layer assembly 4, the pair of inner gaskets 61, the outer gasket 62, the first separator 7, and the second separator 8. It was found that the liquid leaked in a C shape through the space formed and mixed with each other (hereinafter referred to as “C leak”). This is the knowledge that triggered the present invention.

図２５（ｂ）の表２は、第２予備実験において、カソード出口におけるＮ２中へのＨ２リーク量をガスクロマトグラフで測定した結果である。 Table 2 in FIG. 25 (b) shows the result of measuring the amount of H 2 leakage into N 2 at the cathode outlet by a gas chromatograph in the second preliminary experiment.

第２予備実験の実験方法を以下に示す。   The experimental method of the second preliminary experiment is shown below.

単電池Ａでは、その周縁部まで触媒層２，３を有する膜触媒層接合体４を用いた。単電池Ｂでは、高分子電解質膜１に、開口したマスキングシートを予め貼り付け、触媒層の塗工後にマスキングシートを除去することによりガス拡散層５，６と同じサイズの部分だけ触媒層２，３を有し、周縁部は電解質膜が露出した膜触媒層接合体４を用いた。それぞれの部材の材料や大きさ、形状などは、第１予備実験と同様であるので詳細な説明を省略する。   In the unit cell A, the membrane / catalyst layer assembly 4 having the catalyst layers 2 and 3 up to the periphery thereof was used. In the unit cell B, an opened masking sheet is attached to the polymer electrolyte membrane 1 in advance, and the catalyst sheet 2 is removed from the catalyst layer 2 by removing the masking sheet after the catalyst layer is applied. 3 and a membrane-catalyst layer assembly 4 having an electrolyte membrane exposed at the periphery was used. Since the material, size, shape, and the like of each member are the same as those in the first preliminary experiment, detailed description thereof is omitted.

得られた単電池Ａ、Ｂのそれぞれについて、図２５（ｃ）の表３に示すガスリーク試験条件でのカソード出口におけるＮ２中へのＨ２リーク量をガスクロマトグラフ（島津製作所製ＧＣ−８Ａ）で測定した。実際にはカソードとアノードとにそれぞれ加湿したN2及びH2を等量ずつ流通させ、カソードに流通しているN2中のH2濃度をガスクロマトグラフィを用いて測定することで、高分子電解質膜１を介してアノードからカソードへ透過したH2量を計測した。 For each of the obtained cells A and B, the amount of H 2 leaked into N 2 at the cathode outlet under the gas leak test conditions shown in Table 3 of FIG. 25 (c) was measured with a gas chromatograph (GC-8A manufactured by Shimadzu Corporation). Measured with In actuality, N 2 and H 2 , which are humidified, are circulated in equal amounts in the cathode and anode, respectively, and the concentration of H 2 in the N 2 flowing in the cathode is measured using gas chromatography, so that the polymer electrolyte The amount of H 2 permeated from the anode to the cathode through the membrane 1 was measured.

高分子電解質膜１は元々Ｈ２を微量透過する性質を有するが、周縁部まで触媒層２，３を有する膜触媒層接合体４を用いた単電池ＡのＨ２透過量が、単電池ＢのＨ２透過量の約２倍と大きかった。 The polymer electrolyte membrane 1 originally has the property of permeating H 2 in a small amount, but the H 2 permeation amount of the unit cell A using the membrane-catalyst layer assembly 4 having the catalyst layers 2 and 3 up to the periphery is unit cell B. The amount of H 2 permeation was about twice as large.

内側ガスケット６１により挟まれた触媒層２，３を通じたガス漏洩によるCリークは、触媒層２，３における通常の発電反応を阻害し、過酸化水素を生成し、かつ電解質を劣化するラジカルを生成する反応を加速する。これにより高分子電解質膜１及び触媒層２，３中の電解質の劣化分解を加速するという問題を起こす。その結果として、燃料電池の発電性能の低下及び耐久性の低下をもたらすと考えられる。なお、触媒層の表面が凹凸に富むことは、特開2004-134392などの文献で公知である。反応ガスのリーク経路としては、触媒層とガスケットとの界面が主要な役割を果たしていると考えられる。   C leakage due to gas leakage through the catalyst layers 2 and 3 sandwiched between the inner gaskets 61 inhibits the normal power generation reaction in the catalyst layers 2 and 3, generates hydrogen peroxide, and generates radicals that degrade the electrolyte. Accelerate your reaction. This causes a problem of accelerating degradation and decomposition of the electrolyte in the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2 and 3. As a result, it is considered that the power generation performance and durability of the fuel cell are lowered. It is known in the literature such as JP-A-2004-134392 that the surface of the catalyst layer is rich in irregularities. It is considered that the interface between the catalyst layer and the gasket plays a major role as a reaction gas leak path.

本発明者らは、ロールトゥロールプロセスにより作成された膜触媒層接合体４を用いた燃料電池において、膜触媒層接合体４の周縁部と、内側ガスケット６１と外側ガスケット６２とで規定形成される空間に例えば水などの液体を充填することで、「Ｃリーク」を防止できると考え、本発明を想到した。   In the fuel cell using the membrane catalyst layer assembly 4 produced by the roll-to-roll process, the present inventors are defined by the peripheral portion of the membrane catalyst layer assembly 4, the inner gasket 61, and the outer gasket 62. The present invention has been conceived by thinking that "C leak" can be prevented by filling a space such as water with a liquid such as water.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。以下では全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付してその重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
［構成］
図１は実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。図２は、図１の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。図３は、図１の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの背面図である。図１は、図２及び図３におけるI−I断面を示す。なお、これらの図は模式図であるので、高分子電解質形燃料電池の断面図（図１）とセパレータの正面図（図２）及び背面図（図３）とは、流路の位置、形状等が一致していない。これは、他の実施の形態及び変形例においても同様である。また、高分子電解質形燃料電池１００の基本的な構成は周知であるので、以下では本発明と関連する構成を説明し、それ以外の説明は省略する。また、以下では、必要がない限り、アノード及びカソードに関連する要素について、アノード側であるかカソード側であるかを区別しないで説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals throughout all the drawings, and redundant description thereof is omitted.
(Embodiment 1)
[Constitution]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 2 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. FIG. 3 is a rear view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. FIG. 1 shows an II cross section in FIG. 2 and FIG. Since these figures are schematic views, the cross-sectional view (FIG. 1) of the polymer electrolyte fuel cell, the front view (FIG. 2) and the rear view (FIG. 3) of the separator are the position and shape of the flow path. Etc. do not match. The same applies to other embodiments and modifications. Further, since the basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell 100 is well known, the configuration related to the present invention will be described below, and the other description will be omitted. In the following description, unless necessary, elements related to the anode and the cathode will be described without distinguishing between the anode side and the cathode side.

図１乃至図３に示すように、本実施形態１の高分子電解質形燃料電池１００は、高分子電解質膜１と、第１触媒層２と、第２触媒層３と、第１ガス拡散層５と、第２ガス拡散層６と、第１セパレータ７、第２セパレータ８と、シール構造９と、隙間１０と、隙間１０を冷却する隙間冷却機構と、を備える。図１は、高分子電解質形燃料電池１００の要部としての単セルを示している。高分子電解質形燃料電池１００は、例えば、この単セル又は複数の単セルが積層されたセル積層体の両側（両端）に、順に、一対の集電板、一対の絶縁板、及び一対の端板（いずれも図示せず）が配置され、これらを適宜な圧力で締結部材（図示せず）により締結して構成されている。   As shown in FIGS. 1 to 3, the polymer electrolyte fuel cell 100 of Embodiment 1 includes a polymer electrolyte membrane 1, a first catalyst layer 2, a second catalyst layer 3, and a first gas diffusion layer. 5, a second gas diffusion layer 6, a first separator 7, a second separator 8, a seal structure 9, a gap 10, and a gap cooling mechanism for cooling the gap 10. FIG. 1 shows a single cell as a main part of a polymer electrolyte fuel cell 100. The polymer electrolyte fuel cell 100 includes, for example, a pair of current collector plates, a pair of insulating plates, and a pair of ends in this order on both sides (both ends) of the single cell or a cell stack in which a plurality of single cells are stacked. Plates (none of which are shown) are arranged, and these are fastened by fastening members (not shown) with appropriate pressure.

高分子電解質膜１は、一対の第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有する略矩形状に形成されている。本発明において、「略矩形状」における「矩形」は、長方形及び正方形を含む。高分子電解質膜１は、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜１の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。高分子電解質膜１として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）など）又は各種炭化水素系電解質膜を使用できる。   The polymer electrolyte membrane 1 is formed in a substantially rectangular shape having a pair of first main surface 1a and second main surface 1b. In the present invention, the “rectangle” in the “substantially rectangular shape” includes a rectangle and a square. The polymer electrolyte membrane 1 is a polymer membrane having hydrogen ion conductivity. The material of the polymer electrolyte membrane 1 is not particularly limited as long as it selectively moves hydrogen ions. As the polymer electrolyte membrane 1, for example, a fluorine-based polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Asahi Glass Co., Ltd. Flemion (registered trademark), etc.) or various hydrocarbon electrolyte membranes can be used.

第１触媒層２及び第２触媒層３は、それぞれ略矩形状であり、互いに高分子電解質膜１を挟んで対向し、かつ高分子電解質膜１の少なくとも１辺の周縁部を覆うように延びている。高分子電解質膜１上への第１触媒層２及び第２触媒層３の形成態様については後で詳述する。第１触媒層２は、高分子電解質膜１の第１主面１ａの外側に（第１主面１ａに対向するように）配置され、第２触媒層３は、高分子電解質膜１の第２主面１ｂの外側に（第２主面１ｂに対向するように）配置されている。第１触媒層２及び第２触媒層３の一方がアノード触媒層であり、他方がカソード触媒層である。なおここで、「外側」とは、高分子電解質膜１がなす平面を中心として、高分子電解質膜１の厚み方向に沿って、高分子電解質膜１から遠ざかる２つの方向をいう。   Each of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 has a substantially rectangular shape, is opposed to each other with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween, and extends so as to cover the peripheral portion of at least one side of the polymer electrolyte membrane 1. ing. The formation mode of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 on the polymer electrolyte membrane 1 will be described in detail later. The first catalyst layer 2 is disposed outside the first main surface 1a of the polymer electrolyte membrane 1 (so as to face the first main surface 1a), and the second catalyst layer 3 is the first layer of the polymer electrolyte membrane 1. It is arrange | positioned on the outer side of 2 main surface 1b (so that it may oppose 2nd main surface 1b). One of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 is an anode catalyst layer, and the other is a cathode catalyst layer. Here, the “outside” means two directions away from the polymer electrolyte membrane 1 along the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1 with the plane formed by the polymer electrolyte membrane 1 as the center.

第１触媒層２及び第２触媒層３は、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。第１触媒層２及び第２触媒層３は、導電性を有し、かつ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであれば特に限定されない。第１触媒層２及び第２触媒層３は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成される。第１触媒層２及び第２触媒層３に用いるプロトン導電性高分子材料は、高分子電解質膜１と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。高分子電解質膜１、第１触媒層２、及び第２触媒層３が膜触媒層接合体４を構成する。   The first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 are layers including a catalyst for a redox reaction of hydrogen or oxygen. The 1st catalyst layer 2 and the 2nd catalyst layer 3 will not be specifically limited if it has electroconductivity and has the catalyst ability with respect to the oxidation-reduction reaction of hydrogen and oxygen. The first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 are composed of porous members mainly composed of, for example, carbon powder carrying a platinum group metal catalyst and a polymer material having proton conductivity. The proton conductive polymer material used for the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 may be the same as or different from the polymer electrolyte membrane 1. The polymer electrolyte membrane 1, the first catalyst layer 2, and the second catalyst layer 3 constitute a membrane catalyst layer assembly 4.

第１ガス拡散層５は、略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て第１触媒層２の周縁部より内方を覆って延びるように、第１触媒層２の外側（高分子電解質膜１の厚み方向に垂直な方向から見て第１触媒層２を挟んで高分子電解質膜１と反対側）に配置されている。第２ガス拡散層６は、略矩形状であり、かつ高分子電解質膜１の厚み方向から見て第２触媒層３の周縁部より内方を覆って延びるように第２触媒層３の外側（高分子電解質膜１の厚み方向に垂直な方向から見て第２触媒層３を挟んで高分子電解質膜１と反対側）に配置されている。   The first gas diffusion layer 5 has a substantially rectangular shape and extends outside the first catalyst layer 2 so as to extend inward from the peripheral edge of the first catalyst layer 2 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. (The side opposite to the polymer electrolyte membrane 1 across the first catalyst layer 2 when viewed from the direction perpendicular to the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1). The second gas diffusion layer 6 has a substantially rectangular shape and extends outside the second catalyst layer 3 so as to extend inward from the peripheral edge of the second catalyst layer 3 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. (The side opposite to the polymer electrolyte membrane 1 across the second catalyst layer 3 as viewed from the direction perpendicular to the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1).

第１ガス拡散層５は、第１触媒層２がアノード触媒層である場合にはアノードガス拡散層であり、第１触媒層２がカソード触媒層である場合にはカソードガス拡散層である。第２ガス拡散層６は、第２触媒層３がカソード触媒層である場合にはカソードガス拡散層であり、第２触媒層３がアノード触媒層である場合にはアノードガス拡散層である。そして、アノード触媒層とアノードガス拡散層とがアノード（アノードガス拡散電極）を構成し、カソード触媒層とカソードガス拡散層とがカソード（カソードガス拡散電極）を構成する。また、膜触媒層接合体４、第１ガス拡散層５、及び第２ガス拡散層６が膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。   The first gas diffusion layer 5 is an anode gas diffusion layer when the first catalyst layer 2 is an anode catalyst layer, and is a cathode gas diffusion layer when the first catalyst layer 2 is a cathode catalyst layer. The second gas diffusion layer 6 is a cathode gas diffusion layer when the second catalyst layer 3 is a cathode catalyst layer, and is an anode gas diffusion layer when the second catalyst layer 3 is an anode catalyst layer. The anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer constitute an anode (anode gas diffusion electrode), and the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer constitute a cathode (cathode gas diffusion electrode). Further, the membrane catalyst layer assembly 4, the first gas diffusion layer 5, and the second gas diffusion layer 6 constitute a membrane electrode assembly (MEA).

第１ガス拡散層５及び第２ガス拡散層６は、導電性を有する多孔質の板状の部材である。ガス拡散層５，６の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。   The first gas diffusion layer 5 and the second gas diffusion layer 6 are porous plate-like members having conductivity. The material of the gas diffusion layers 5 and 6 is not particularly limited as long as it has conductivity and can diffuse the reaction gas.

ガス拡散層５，６には、ガス透過性を持たせるために、カーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー、又はカーボンクロスなどを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。また、ガス拡散層５，６に排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層５，６の中に分散させてもよい。さらに、ガス拡散層５，６に電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維、又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層５，６を構成してもよい。また、ガス拡散層５，６の触媒層と接する面には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。   For the gas diffusion layers 5 and 6, a conductive base material having a porous structure made of carbon fine powder, pore former, carbon paper, carbon cloth, or the like is used in order to give gas permeability. be able to. Further, in order to give the gas diffusion layers 5 and 6 drainage properties, a water-repellent polymer such as a fluororesin may be dispersed in the gas diffusion layers 5 and 6. Furthermore, in order to give the gas diffusion layers 5 and 6 electron conductivity, the gas diffusion layers 5 and 6 may be made of an electron conductive material such as carbon fiber, metal fiber, or carbon fine powder. Further, a water repellent carbon layer composed of a water repellent polymer and carbon powder may be provided on the surface of the gas diffusion layers 5 and 6 in contact with the catalyst layer.

ガス拡散層５，６は、例えば、基材として炭素繊維を用いず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成された多孔質部材を用いてもよい。   The gas diffusion layers 5 and 6 may use, for example, a porous member composed mainly of conductive particles and a polymer resin without using carbon fiber as a base material.

導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等のカーボン材料が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカン等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。   Examples of the conductive particle material include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, Vulcan, and the like. These materials may be used alone, or a plurality of materials may be used in combination. In addition, the raw material form of the carbon material may be any shape such as powder, fiber, and granule.

また、高分子樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からＰＴＦＥが好ましい。ＰＴＦＥの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から好ましい。なお、高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダとしての機能を有する。また、高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能（保水性）も有する。   In addition, as the polymer resin, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like can be mentioned, and PTFE is preferable from the viewpoints of heat resistance, water repellency and chemical resistance. The raw material of PTFE includes a dispersion and a powdery shape, but the dispersion is preferable from the viewpoint of workability. The polymer resin functions as a binder that binds the conductive particles. In addition, since the polymer resin has water repellency, it also has a function (water retention) to confine water in the system inside the fuel cell.

また、ガス拡散層５，６には、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、カソードガス拡散層の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のノニオン系、アルキルアミンオキシド等の両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、高分子樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）が均一分散しやすいが、流動性が高くなり、シート化が難しくなる傾向がある。なお、カソードガス拡散層には、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散溶媒以外の材料（例えば、短繊維の炭素繊維など）が含まれていてもよい。   In addition to the conductive particles and the polymer resin, the gas diffusion layers 5 and 6 may contain a trace amount of a surfactant, a dispersion solvent, and the like used in manufacturing the cathode gas diffusion layer. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionic compounds such as alkylamine oxides. What is necessary is just to set suitably the quantity of the dispersion solvent used at the time of manufacture, and the quantity of surfactant according to the kind of electroconductive particle, the kind of polymer resin, those compounding ratios, etc. In general, as the amount of the dispersion solvent and the amount of surfactant increases, the polymer resin (fluororesin) and conductive particles (carbon) tend to be uniformly dispersed, but the fluidity tends to increase and it becomes difficult to form a sheet. There is. The cathode gas diffusion layer may contain materials other than the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent (for example, short-fiber carbon fibers).

第１ガス拡散層５と第２ガス拡散層６とは、互いに同じ構成のガス拡散層を用いても、異なる構成のガス拡散層を用いてもよい。   The first gas diffusion layer 5 and the second gas diffusion layer 6 may use gas diffusion layers having the same configuration or different gas diffusion layers.

基材として炭素繊維を用いないガス拡散層は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造する。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌混錬機に投入後、混錬して粉砕及び造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒及び界面活性剤を除去することでカソードガス拡散層を構成するシートが製造される。そして、このようにして製造されたシートの主面に、適宜な方法（例えば、プレス機等を用いた成型、切削機等を用いた切削）により、酸化剤ガス（一方の反応ガス）流路となる溝を形成して、カソードガス拡散層が得られる。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料（カーボン材料）、分散溶媒の種類により適宜選択でき、また、界面活性剤を使用しなくてもよい。   A gas diffusion layer that does not use carbon fibers as a substrate is manufactured by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a polymer resin and conductive particles. Specifically, carbon, which is conductive particles, a dispersion solvent, and a surfactant are introduced into a stirring kneader, and then kneaded, pulverized, and granulated to disperse the carbon in the dispersion solvent. Next, the fluororesin, which is a polymer resin, is further dropped into a stirring kneader and stirred and kneaded to disperse the carbon and fluororesin. The obtained kneaded material is rolled to form a sheet, and fired to remove the dispersion solvent and the surfactant, thereby producing a sheet constituting the cathode gas diffusion layer. Then, an oxidant gas (one reaction gas) flow path is formed on the main surface of the sheet thus manufactured by an appropriate method (for example, molding using a press machine or cutting using a cutting machine). Thus, a cathode gas diffusion layer is obtained. The surfactant can be appropriately selected depending on the material of the conductive particles (carbon material) and the type of the dispersion solvent, and the surfactant need not be used.

第１セパレータ７及び第２セパレータ８は、それぞれ略矩形状であり、互いに高分子電解質膜１を挟んで対向し、かつ高分子電解質膜１の厚み方向から見て、その周縁部が高分子電解質膜１の周縁の外側に位置するように設けられている。第１セパレータ７は第１ガス拡散層５の外側（高分子電解質膜１の厚み方向に垂直な方向から見て第１ガス拡散層５を挟んで高分子電解質膜１と反対側）に配置され、第２セパレータ８は、第２ガス拡散層６の外側（高分子電解質膜１の厚み方向に垂直な方向から見て第１ガス拡散層５を挟んで高分子電解質膜１と反対側）に配置されている。   Each of the first separator 7 and the second separator 8 has a substantially rectangular shape, is opposed to each other with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween, and the peripheral portion of the first separator 7 and the second separator 8 as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1 is a polymer electrolyte. It is provided so as to be located outside the peripheral edge of the film 1. The first separator 7 is disposed outside the first gas diffusion layer 5 (on the opposite side to the polymer electrolyte membrane 1 with the first gas diffusion layer 5 interposed therebetween as viewed from the direction perpendicular to the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1). The second separator 8 is on the outside of the second gas diffusion layer 6 (on the opposite side of the polymer electrolyte membrane 1 with the first gas diffusion layer 5 interposed therebetween as viewed from the direction perpendicular to the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1). Has been placed.

第１セパレータ７及び第２セパレータ８は、膜電極接合体を機械的に固定するとともに、隣接する膜電極接合体同士を互いに電気的に直列に接続するための板状の導電性の部材である。   The first separator 7 and the second separator 8 are plate-like conductive members for mechanically fixing the membrane electrode assemblies and electrically connecting adjacent membrane electrode assemblies to each other in series. .

セパレータ７，８の一対の主面のうち、膜電極接合体と接触する面（正面：以下、電極面ともいう）には、反応ガスの流路１２Ａ，１２Ｂが形成されている。これにより、電極面に反応ガスを供給し、反応により生じた水や余剰ガスを運び去ることができる。なお、反応ガスの流路は、セパレータ７，８とは別個の部材に設けられてもよい。この場合には、セパレータ７，８には反応ガスの流路１２Ａ，１２Ｂは設けられない。   Of the pair of main surfaces of the separators 7 and 8, reaction gas flow paths 12 </ b> A and 12 </ b> B are formed on a surface that contacts the membrane electrode assembly (front surface: hereinafter also referred to as an electrode surface). Thereby, the reaction gas can be supplied to the electrode surface, and water and surplus gas generated by the reaction can be carried away. The reaction gas flow path may be provided in a separate member from the separators 7 and 8. In this case, the separators 7 and 8 are not provided with the reaction gas flow paths 12A and 12B.

セパレータ７，８の一対の主面のうち、電極面と反対の面（背面：以下冷却面ともいう）には、水や不凍液などの冷却流体の流路１３Ａ，１３Ｂが形成されている。これにより、膜電極接合体で発電が起こる時に発生する熱を除去できる。なお、冷却流体の流路１３Ａ，１３Ｂは、セパレータ７，８とは別個の部材に設けられてもよい。この場合には、セパレータ７，８には冷却流体の流路１３Ａ，１３Ｂは設けられない。セパレータ７，８の周縁部には、２つのマニホールド孔組が形成されている。一方のマニホールド孔組は、反応ガスを供給又は排出する２つの反応ガスマニホールド孔２１Ａ，２２Ａと、冷却流体を供給又は排出する１つの冷却流体マニホールド孔２３Ａとで構成されている。他方のマニホールド孔組は、反応ガスを供給又は排出する２つの反応ガスマニホールド孔２１Ｂ，２２Ｂと、冷却流体を供給又は排出する１つの冷却流体マニホールド孔２３Ｂとで構成されている。   Out of a pair of main surfaces of the separators 7 and 8, channels 13 </ b> A and 13 </ b> B for cooling fluid such as water and antifreeze liquid are formed on the surface opposite to the electrode surface (back surface: hereinafter also referred to as cooling surface). Thereby, the heat generated when power generation occurs in the membrane electrode assembly can be removed. The cooling fluid flow paths 13 </ b> A and 13 </ b> B may be provided in a separate member from the separators 7 and 8. In this case, the separators 7 and 8 are not provided with the cooling fluid channels 13A and 13B. Two manifold hole sets are formed in the peripheral portions of the separators 7 and 8. One manifold hole set includes two reaction gas manifold holes 21A and 22A for supplying or discharging reaction gas and one cooling fluid manifold hole 23A for supplying or discharging cooling fluid. The other manifold hole set includes two reaction gas manifold holes 21B and 22B for supplying or discharging the reaction gas, and one cooling fluid manifold hole 23B for supplying or discharging the cooling fluid.

一対の反応ガスマニホールド孔２１Ａ，２１Ｂは、一方の反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）用であり、一方が供給用で他方が排出用である。これらを接続するように一方の反応ガスの流路１２Ａ，１２Ｂが第１セパレータ７及び第２セパレータ８のうちの一方の電極面に形成される。一対の反応ガスマニホールド孔２２Ａ，２２Ｂは、他方の反応ガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）用であり、一方が供給用で他方が排出用である。これらを接続するように他方の反応ガスの流路１２Ａ，１２Ｂが第１セパレータ７及び第２セパレータ８のうちの他方の電極面に形成される。   The pair of reaction gas manifold holes 21A and 21B is for one reaction gas (fuel gas or oxidant gas), one for supply and the other for discharge. One reactive gas flow path 12A, 12B is formed on one electrode surface of the first separator 7 and the second separator 8 so as to connect them. The pair of reaction gas manifold holes 22A and 22B is for the other reaction gas (oxidant gas or fuel gas), one for supply and the other for discharge. The other reaction gas flow paths 12 </ b> A and 12 </ b> B are formed on the other electrode surface of the first separator 7 and the second separator 8 so as to connect them.

一対の冷却流体マニホールド孔２３Ａ，２３Ｂは、一方が供給用で他方が排出用である。これらを接続するように冷却流体の流路１３Ａ，１３Ｂが、必要に応じて第１セパレータ７及び／又は第２セパレータ８の冷却面に形成される。   One of the pair of cooling fluid manifold holes 23A and 23B is for supply and the other is for discharge. Cooling fluid flow paths 13A and 13B are formed on the cooling surface of the first separator 7 and / or the second separator 8 as necessary so as to connect them.

膜触媒層接合体４の高分子電解質膜１には、第１セパレータ７及び第２セパレータ８の６つのマニホールド孔２１Ａ、２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂに対応する孔（図示せず）がそれぞれ形成されていて、これらがそれぞれ繋がって６つのマニホールド（内部マニホールド）が構成されている。これらの６つのマニホールドにおいて、一方の反応ガス供給用マニホールドに一方の反応ガスが供給され、一方の反応ガス排出用マニホールドから一方の反応ガスが排出され、他方の反応ガス供給用マニホールドに他方の反応ガスが供給され、他方の反応ガス排出用マニホールドから他方の反応ガスが排出され、冷却流体供給用マニホールドに冷却流体が供給され、冷却流体排出用マニホールドから冷却流体が排出される。６つのマニホールド孔２１Ａ、２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂの配置は任意である。   The polymer electrolyte membrane 1 of the membrane catalyst layer assembly 4 has holes (not shown) corresponding to the six manifold holes 21A, 21B, 22A, 22B, 23A, and 23B of the first separator 7 and the second separator 8. These are formed, and these are connected to each other to form six manifolds (internal manifolds). In these six manifolds, one reaction gas is supplied to one reaction gas supply manifold, one reaction gas is discharged from one reaction gas discharge manifold, and the other reaction gas is supplied to the other reaction gas supply manifold. Gas is supplied, the other reaction gas is discharged from the other reaction gas discharge manifold, the cooling fluid is supplied to the cooling fluid supply manifold, and the cooling fluid is discharged from the cooling fluid discharge manifold. The arrangement of the six manifold holes 21A, 21B, 22A, 22B, 23A, 23B is arbitrary.

セパレータ７，８は、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。セパレータ７，８がカーボンを含む材質で構成される場合、セパレータ７，８は、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型に供給し、金型に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成できる。   The separators 7 and 8 are made of a material containing carbon or a material containing metal. In the case where the separators 7 and 8 are made of a material containing carbon, the separators 7 and 8 supply raw material powder in which carbon powder and a resin binder are mixed to the mold, and pressure and pressure are applied to the raw material powder supplied to the mold. It can be formed by applying heat.

セパレータ７，８が金属を含む材質で構成される場合、セパレータ７，８は、金属プレートからなるものであってもよい。セパレータ７，８は、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。   When the separators 7 and 8 are made of a material containing metal, the separators 7 and 8 may be made of a metal plate. The separators 7 and 8 may be made of a plate made of titanium or stainless steel with gold plating.

なお、第１セパレータ７の冷却面には、冷却流体の外部へのリーク並びに一対の反応ガスの相互間及び外部へリークを防止するためのシール部材１４が配設されている。   The cooling surface of the first separator 7 is provided with a seal member 14 for preventing the leakage of the cooling fluid to the outside and the leakage between the pair of reaction gases and to the outside.

シール構造９は、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとを含む。第１ガスケット部９ａは、環状で略矩形状であり（特に図２参照）、高分子電解質膜１の厚み方向から見て第１ガス拡散層５の周縁の外側に位置し、かつ、高分子電解質膜１の厚み方向と垂直な方向から見て高分子電解質膜１の周縁部又は高分子電解質膜１の周縁部にある第１触媒層２と第１セパレータ７との間に位置している。これについては、後で詳しく説明する。図１は、第１ガスケット部９ａが、高分子電解質膜１の周縁部にある第１触媒層２と第１セパレータ７との間に位置している形態を示している。第２ガスケット部９ｂは、環状で略矩形状であり（特に図２参照）、高分子電解質膜１の厚み方向から見て高分子電解質膜１の周縁の外側に位置し、かつ、高分子電解質膜１の厚み方向と垂直な方向から見て第１セパレータ７と第２セパレータ８との間に位置している。   The seal structure 9 includes a first gasket portion 9a and a second gasket portion 9b. The first gasket portion 9a is annular and substantially rectangular (see particularly FIG. 2), is located outside the periphery of the first gas diffusion layer 5 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1, and is a polymer. When viewed from the direction perpendicular to the thickness direction of the electrolyte membrane 1, it is located between the first catalyst layer 2 and the first separator 7 at the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 or at the periphery of the polymer electrolyte membrane 1. . This will be described in detail later. FIG. 1 shows a form in which the first gasket portion 9 a is located between the first catalyst layer 2 and the first separator 7 at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1. The second gasket portion 9b is annular and substantially rectangular (see in particular FIG. 2), is located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1, and the polymer electrolyte. It is located between the first separator 7 and the second separator 8 when viewed from the direction perpendicular to the thickness direction of the film 1.

第１ガスケット部９ａ及び第２ガスケット部９ｂは、それぞれを挟む部材間の隙間をシールする機能を有し、当該機能を発揮するための適度の弾性と剛性とを備える。   The 1st gasket part 9a and the 2nd gasket part 9b have a function which seals the crevice between members which sandwich each, and are provided with moderate elasticity and rigidity for exhibiting the function concerned.

シール構造９は、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとが互いに分離した別個の部材である形態に構成されてもよく、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとが単一の部材における互いに繋がった２つの部分である形態に構成されてもよい。   The seal structure 9 may be configured such that the first gasket portion 9a and the second gasket portion 9b are separate members separated from each other, and the first gasket portion 9a and the second gasket portion 9b are a single member. You may comprise in the form which is two parts connected with each other in a member.

以下では、シール構造９は、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとが単一の部材における互いに繋がった２つの部分である形態に構成されている例を示す。具体的には、シール構造９は、第１ガスケット部９ａと、第２ガスケット部９ｂと、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとを接続する第１接続部９ｃと、を含む１つの枠状ガスケットにより構成されている。この枠状ガスケット（９）は、全体として、中央部に開口を有し、当該開口の縁部（９ａ，９ｃ）が段状に薄い矩形の平板形状に形成されている。中央部の開口に第１セパレータ７の反応ガスの流路が位置し、周縁部に第１セパレータ７の各マニホールド孔２１Ａ−２３Ｂに対応する孔が形成されている。この枠状ガスケット（９）の第１ガスケット部９ａにより、一対の反応ガスの相互間がシールされる。また、枠状ガスケットの第２ガスケット部９ｂにより、第１ガス拡散層５から外部への反応ガスのリークが防止される。   Hereinafter, an example in which the seal structure 9 is configured in a form in which the first gasket portion 9a and the second gasket portion 9b are two portions connected to each other in a single member will be described. Specifically, the seal structure 9 includes a first gasket portion 9a, a second gasket portion 9b, and a first connection portion 9c that connects the first gasket portion 9a and the second gasket portion 9b. It is constituted by a frame-shaped gasket. This frame-like gasket (9) has an opening at the center as a whole, and the edges (9a, 9c) of the opening are formed in a stepped thin rectangular flat plate shape. The reaction gas flow path of the first separator 7 is located in the central opening, and holes corresponding to the manifold holes 21A-23B of the first separator 7 are formed in the peripheral edge. The first gasket portion 9a of the frame-shaped gasket (9) seals between the pair of reaction gases. In addition, leakage of the reaction gas from the first gas diffusion layer 5 to the outside is prevented by the second gasket portion 9b of the frame-shaped gasket.

枠状ガスケット（９）は、例えばフッ素ゴム、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、及びポリエチレンテレフタレート樹脂などが上げられる。これらを単体、又は２種以上の複合体として用いてもよい。   The frame gasket (9) is, for example, fluorine rubber, polyisobrene, butyl rubber, ethylene propylene rubber, silicone rubber, nitrile rubber, thermoplastic elastomer, liquid crystal polymer, polyimide resin, polyether ether ketone resin, polyether imide resin, polyphenylene sulfide resin. Terephthalamide resin, polyethersulfone resin, polysulfone resin, syndiotactic polystyrene resin, polymethylpentene resin, modified polyphenylene ether resin, polyacetal resin, polypropylene resin, fluororesin, and polyethylene terephthalate resin. These may be used alone or as a composite of two or more.

隙間１０は、意図的に形成されたものと、意図せずに形成されたものとの双方を含む。換言すると、隙間１０は、設計に従って形成されたものと、設計上存在しないが、高分子電解質形燃料電池１００の製造過程で形成されたものとの双方を含む。隙間１０は、微小であってもよい。また、隙間１０は、閉空間であることが好ましい。但し、隙間１０は、そこでガス中の水分が冷却されて液状化し、それが貯留されるように形成されておれば、必ずしも閉空間である必要はない。換言すると、隙間１０は、部分的に開放されていても、そこでガス中の水分が冷却されて液状化し、それが貯留される程度に閉じていればよい。また、隙間１０は、典型的には高分子電解質膜１の全外周（４辺）の周囲に形成されるが、高分子電解質膜１の外周の一部の周囲に形成されてもよい。隙間１０が存在しなければ、そもそも「Ｃリーク」は発生しないからである。   The gap 10 includes both intentionally formed and unintentionally formed. In other words, the gap 10 includes both those formed in accordance with the design and those formed in the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell 100 that do not exist in the design. The gap 10 may be minute. The gap 10 is preferably a closed space. However, the gap 10 does not necessarily need to be a closed space as long as the moisture in the gas is cooled and liquefied and stored therein. In other words, even if the gap 10 is partially opened, the gap 10 may be closed to such an extent that moisture in the gas is cooled and liquefied and stored. The gap 10 is typically formed around the entire outer periphery (four sides) of the polymer electrolyte membrane 1, but may be formed around a portion of the outer periphery of the polymer electrolyte membrane 1. This is because if the gap 10 does not exist, “C leak” does not occur in the first place.

本実施の形態１では、隙間１０は、少なくとも、第１触媒層２及び第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、シール構造９と、により規定(define)されている。ここでは、シール構造９が枠状ガスケットで構成されているので、隙間１０は、少なくとも第１触媒層２及び第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、シール構造（枠状ガスケット）９と、により規定され、より詳しくは、第１触媒層２及び第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、シール構造９と、第２ガス拡散層６と、第２セパレータ８とにより規定されている。   In the first embodiment, the gap 10 is defined by at least the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, and the seal structure 9. Here, since the seal structure 9 is composed of a frame-shaped gasket, the gap 10 has at least the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, and the seal structure (frame-shaped gasket) 9. More specifically, it is defined by the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, the seal structure 9, the second gas diffusion layer 6, and the second separator 8. Has been.

隙間冷却機構は、隙間１０を冷却する機能を有する。隙間冷却機構は、ここでは、第１セパレータ７及び第２セパレータ８の少なくとも一方に、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、隙間１０に重なるように形成された隙間冷却用流体流路１１により構成される。隙間冷却用流体流路１１は、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、全部が隙間１０に重なることが好ましいが、一部が隙間１０に重なっている形態であってもよい。   The gap cooling mechanism has a function of cooling the gap 10. Here, the gap cooling mechanism is a gap cooling fluid flow path 11 formed on at least one of the first separator 7 and the second separator 8 so as to overlap the gap 10 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. Consists of. The gap cooling fluid channel 11 preferably overlaps with the gap 10 as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1, but may also have a form in which part of the gap cooling fluid channel 11 overlaps with the gap 10.

隙間冷却用流体流路１１は、ここでは、例えば、第１セパレータ７及び第２セパレータ８のそれぞれの冷却面に形成されている。図３において、破線は発電部の範囲（ここではガス拡散層５，６の範囲）を示している。この破線の範囲内に位置する流路が、発電部を冷却するための通常の冷却流体の流路１３Ａである。隙間冷却用流体流路１１は、この通常の冷却流体の流路１３Ａの外側に位置し、かつ両端が一対の冷却流体マニホールド孔２３Ａ，２３Ｂに接続されるように形成されている。第２セパレータ８においても、隙間冷却用流体流路１１が同様に形成されている。これにより、隙間冷却用流体流路１１を流通する冷却流体によって隙間１０が冷却される。   Here, the clearance cooling fluid flow path 11 is formed, for example, on each cooling surface of the first separator 7 and the second separator 8. In FIG. 3, the broken line indicates the range of the power generation unit (here, the range of the gas diffusion layers 5 and 6). The flow path located within the range of the broken line is a normal cooling fluid flow path 13A for cooling the power generation unit. The clearance cooling fluid flow path 11 is located outside the normal cooling fluid flow path 13A, and is formed so that both ends thereof are connected to the pair of cooling fluid manifold holes 23A and 23B. In the second separator 8 as well, the gap cooling fluid flow path 11 is formed in the same manner. As a result, the gap 10 is cooled by the cooling fluid flowing through the gap cooling fluid flow path 11.

＜触媒層の形成態様＞
図１９は膜触媒層接合体４における触媒層の形成態様を示す平面図である。図１９において、外側の矩形の破線はシール構造９の第２ガスケット部９ｂの内縁（内周）を示し、内側の矩形の破線はシール構造９の第１ガスケット部９ａの内縁（内周）を示す。 <Formation of catalyst layer>
FIG. 19 is a plan view showing a formation mode of the catalyst layer in the membrane catalyst layer assembly 4. In FIG. 19, the outer rectangular broken line indicates the inner edge (inner periphery) of the second gasket portion 9 b of the seal structure 9, and the inner rectangular broken line indicates the inner edge (inner periphery) of the first gasket portion 9 a of the seal structure 9. Show.

図１９に示すように、膜触媒層接合体４において、第１触媒層２及び第２触媒層３は、例えば、高分子電解質膜１の４辺のうち、一方の対向する２辺４１，４１の周縁部（ここでは周縁の末端）を覆うように（高分子電解質膜１の厚み方向から見て端が重なるように）延びている。高分子電解質膜１の他方の対向する２辺においては、第１触媒層２及び第２触媒層３は、当該２辺の周縁部に余白４３を残すように設けられている。   As shown in FIG. 19, in the membrane catalyst layer assembly 4, the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 are, for example, one opposing two sides 41, 41 of four sides of the polymer electrolyte membrane 1. Of the polymer electrolyte membrane 1 (in this case, the ends overlap each other when viewed from the thickness direction). On the other two opposite sides of the polymer electrolyte membrane 1, the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 are provided so as to leave a blank 43 at the peripheral edge of the two sides.

このような膜触媒層接合体４に対し、シール構造９（枠状ガスケット）の第２ガスケット部９ｂは、高分子電解質膜１の周囲に位置する。一方、シール構造９（枠状ガスケット）の第１ガスケット部９ａは、高分子電解質膜１の上記一方の対向する２辺４１，４１においては、第１触媒層２上に位置し、高分子電解質膜１の上記他方の対向する２辺においては、高分子電解質膜１の周縁部の余白（高分子電解質膜１そのもの）４３上に位置する。上述の「第１ガスケット部９ａは、・・・高分子電解質膜１の周縁部又は高分子電解質膜１の周縁部にある第１触媒層２と第１セパレータ７との間に位置している。」とはこのことを意味する。これにより、高分子電解質膜１の上記他方の対向する２辺においては、（本発明の基礎となった知見）で述べたように、「Ｃリーク」は発生しない。高分子電解質膜１の上記一方の対向する２辺においては、後述するように隙間冷却機構（ここでは隙間冷却用流体流路１１）により「Ｃリーク」が防止される。   With respect to such a membrane catalyst layer assembly 4, the second gasket portion 9 b of the seal structure 9 (frame-like gasket) is positioned around the polymer electrolyte membrane 1. On the other hand, the first gasket portion 9a of the seal structure 9 (frame-shaped gasket) is located on the first catalyst layer 2 at the one opposite two sides 41, 41 of the polymer electrolyte membrane 1, and is located on the first catalyst layer 2. The other two opposite sides of the membrane 1 are located on a margin (polymer electrolyte membrane 1 itself) 43 at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1. The above-mentioned “first gasket portion 9 a is positioned between the first catalyst layer 2 and the first separator 7 at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1 or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1. "" Means this. As a result, “C leak” does not occur on the other two opposite sides of the polymer electrolyte membrane 1 as described in (Knowledge on which the present invention is based). On the two opposite sides of the polymer electrolyte membrane 1, “C leak” is prevented by the gap cooling mechanism (here, the gap cooling fluid flow path 11) as will be described later.

図２０は膜触媒層接合体４の高分子電解質膜１の余白４３を有する辺における第１触媒層２及び第２触媒層３の端の態様を示す平面図である。図２０に示すように、第１触媒層２及び第２触媒層３の端は高分子電解質膜１の厚み方向から見て、必ずしも一直線ではなく、波打つように（凹凸状に）形成されている。一般的には、図１９に示すように、この波打っている第１触媒層２及び第２触媒層３の端との間に間隔を置いてシール構造９の第１ガスケット部９ａが配置される。この場合には「Ｃリーク」は生じない。しかし、図２０に示すように、この波打っている第１触媒層２及び第２触媒層３の端の上に部分的に位置するようにシール構造９の第１ガスケット部９ａが配置される場合には「Ｃリーク」が生じる。それ故、このような場合には、膜触媒層接合体４の高分子電解質膜１に余白４３を有する辺に対しても隙間冷却機構を設けることが好ましい。   FIG. 20 is a plan view showing an aspect of the ends of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 in the side having the margin 43 of the polymer electrolyte membrane 1 of the membrane catalyst layer assembly 4. As shown in FIG. 20, the ends of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 are not necessarily in a straight line but are formed in a wavy shape (uneven shape) when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. . In general, as shown in FIG. 19, the first gasket portion 9 a of the seal structure 9 is disposed with an interval between the wavy ends of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3. The In this case, “C leak” does not occur. However, as shown in FIG. 20, the first gasket portion 9 a of the seal structure 9 is disposed so as to be partially located on the ends of the wavy first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3. In this case, “C leak” occurs. Therefore, in such a case, it is preferable to provide a gap cooling mechanism for the side having the margin 43 in the polymer electrolyte membrane 1 of the membrane catalyst layer assembly 4.

＜膜触媒層接合体４の切り出し態様＞
図２１（ａ），（ｂ）は、ロールトゥロールプロセスにより製造された長尺の膜触媒層接合体からの片状の膜触媒層接合体４の切り出し態様を模式的に示す斜視図である。 <Cutting aspect of membrane catalyst layer assembly 4>
21 (a) and 21 (b) are perspective views schematically showing a cut-out aspect of a piece of membrane catalyst layer assembly 4 from a long membrane catalyst layer assembly produced by a roll-to-roll process. .

図２１（ａ），（ｂ）に示すように、一般的に、ロールトゥロールプロセスにより製造された長尺の膜触媒層接合体４２は、その両面において、両側に帯状の余白４３を残すように触媒層４４が形成され、ロール形状に巻き取られる。そして、このロール形状の長尺の膜触媒層接合体４２から、略矩形の片状の膜触媒層接合体４が切り出される。この切り出し工程では、図２１（ａ）に示すように、長尺の膜触媒層接合体４２の触媒層４４のみを打ち抜いて当該触媒層４４のみを含むように膜触媒層接合体４を切り出してもよく、図２１（ｂ）に示すように、長尺の膜触媒層接合体４２を幅方向に切断して、触媒層４４と余白４３とを含むように、膜触媒層接合体４を切り出してもよい。前者の場合には、膜触媒層接合体４において、第１触媒層２及び第２触媒層３が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て高分子電解質膜１の４辺の周縁部を覆うように延びている。従って、高分子電解質膜１の４辺に対応するように隙間冷却機構を設ける必要がある。一方、後者の場合には、膜触媒層接合体４において、第１触媒層２及び第２触媒層３が、高分子電解質膜１の厚み方向から見て高分子電解質膜１の対向する２辺の周縁部を覆うように延びている。従って、高分子電解質膜１の当該２辺に対応するように隙間冷却機構を設ける必要がある。なお、本実施の形態１は、第１触媒層２及び第２触媒層３が高分子電解質膜１の厚み方向から見て高分子電解質膜１の１辺の周縁部を覆うように延びている膜触媒層接合体４にも適用でき、かつロールトゥロールプロセスを用いないで製造された膜触媒層接合体４にも適用できることは言うまでもない。   As shown in FIGS. 21A and 21B, generally, a long membrane catalyst layer assembly 42 manufactured by a roll-to-roll process leaves strip-like margins 43 on both sides thereof. Then, the catalyst layer 44 is formed and wound into a roll shape. Then, a substantially rectangular piece of membrane catalyst layer assembly 4 is cut out from the long membrane catalyst layer assembly 42 having a roll shape. In this cutting-out process, as shown in FIG. 21A, only the catalyst layer 44 of the long membrane-catalyst layer assembly 42 is punched out, and the membrane-catalyst layer assembly 4 is cut out so that only the catalyst layer 44 is included. As shown in FIG. 21 (b), the long membrane catalyst layer assembly 42 is cut in the width direction, and the membrane catalyst layer assembly 4 is cut out so as to include the catalyst layer 44 and the blank 43. May be. In the former case, in the membrane / catalyst layer assembly 4, the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 have the peripheral portions of the four sides of the polymer electrolyte membrane 1 as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. It extends to cover. Therefore, it is necessary to provide a gap cooling mechanism so as to correspond to the four sides of the polymer electrolyte membrane 1. On the other hand, in the latter case, in the membrane / catalyst layer assembly 4, the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 are opposite two sides of the polymer electrolyte membrane 1 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. It extends so as to cover the peripheral edge of. Therefore, it is necessary to provide a gap cooling mechanism so as to correspond to the two sides of the polymer electrolyte membrane 1. In the first embodiment, the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 extend so as to cover the peripheral edge of one side of the polymer electrolyte membrane 1 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1. Needless to say, the present invention can be applied to the membrane catalyst layer assembly 4 and also to the membrane catalyst layer assembly 4 manufactured without using the roll-to-roll process.

［動作］
次に、以上のように構成された高分子電解質形燃料電池１００の動作を説明する。高分子電解質形燃料電池１００は、発電運転時において、外部から一対の反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が供給され、各セルの発電部（アノード及びカソード）において電力及び熱が発生する。一方、外部から冷却流体が供給され、各セルの発電部が所定の運転温度（例えば８０℃）に維持される。これにより、隙間１０に、ほぼ高分子電解質形燃料電池１００の運転温度であって水分を含んだ露点の高い反応ガスが第１触媒層２及び第２触媒層３の端から流入し、当該隙間１０において、隙間冷却機構としての隙間冷却用流体流路１１を流通する冷却流体により第１セパレータ７等を介して冷却されて液状化し、当該隙間１０に貯留（充填）される。ここで、隙間１０の近傍は、発電部と異なり、熱が発生しないので、隙間冷却用流体流路１１を流通する冷却流体により冷却されて、発電部より低い温度になる。このため、第１触媒層２及び第２触媒層３を通じて（主として触媒層とシール構造との界面を通じて）隙間１０に流入する反応ガスが液状化されるのである。そして、空気中における気体分子の拡散係数は約0.6×105ｃｍ2/sであるのに対して、水中における気体分子の拡散係数は約2.0×1010ｃｍ2/sであり、気体分子は水中の方が約105倍拡散しにくい。そのため「Cリーク」の経路となる隙間１０に水が充填（貯留）されることで、ほぼ「Cリーク」が防止される。 [Operation]
Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell 100 configured as described above will be described. In the polymer electrolyte fuel cell 100, during a power generation operation, a pair of reaction gases (fuel gas and oxidant gas) are supplied from the outside, and electric power and heat are generated in the power generation unit (anode and cathode) of each cell. On the other hand, a cooling fluid is supplied from the outside, and the power generation unit of each cell is maintained at a predetermined operating temperature (for example, 80 ° C.). As a result, a reaction gas having a high dew point, which is almost the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell 100 and contains moisture, flows into the gap 10 from the ends of the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, and the gap 10, the cooling fluid flowing through the gap cooling fluid flow path 11 as the gap cooling mechanism is cooled through the first separator 7 and the like to be liquefied and stored (filled) in the gap 10. Here, unlike the power generation unit, no heat is generated in the vicinity of the gap 10, so that the gap 10 is cooled by the cooling fluid flowing through the gap cooling fluid flow path 11 and becomes a temperature lower than that of the power generation unit. For this reason, the reaction gas flowing into the gap 10 through the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 (mainly through the interface between the catalyst layer and the seal structure) is liquefied. And while the diffusion coefficient of gas molecules in air is about 0.6 × 10 5 cm 2 / s, the diffusion coefficient of gas molecules in water is about 2.0 × 10 10 cm 2 / s. Difficult to diffuse about 10 5 times underwater. Therefore, water is filled (stored) in the gap 10 serving as a “C leak” path, thereby substantially preventing “C leak”.

次に、本実施の形態１の変形例を説明する。なお、便宜上、全ての実施の形態の変形例に共通の通し番号を付す。   Next, a modification of the first embodiment will be described. For convenience, a common serial number is assigned to all the modified examples of the embodiments.

［変形例１］
図４は実施の形態１の変形例１に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。図５は、図４の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。図４は、図５におけるIV−IV断面を示す。本変形例１の高分子電解質形燃料電池１００は、下記の構成以外は実施の形態１の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。 [Modification 1]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 1 of Embodiment 1. FIG. 5 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. FIG. 4 shows a IV-IV cross section in FIG. The polymer electrolyte fuel cell 100 of the first modification is configured in the same manner as the polymer electrolyte fuel cell 100 of the first embodiment except for the following configuration.

図４及び図５に示すように、本変形例１では、シール構造９は、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとが互いに分離した別個の部材である形態に構成されている。換言すると、本変形例１では、シール構造９は、環状で略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第１ガス拡散層５の周縁の外側に位置し、かつ高分子電解質膜１の周縁部又は高分子電解質膜１の周縁部にある第１触媒層２と第１セパレータ７との間に位置する第１ガスケット部９ａとしての第１ガスケットと、環状で略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、高分子電解質膜１の周縁の外側に位置し、かつ第１セパレータ７と第２セパレータ８との間に位置する第２ガスケット部９ｂとしての第２ガスケットと、を備えている。具体的には、第１ガスケット（９ａ）は、その開口に第１セパレータ７の反応ガスの流路が位置するように設けられる。第２ガスケット（９ｂ）は、第１ガスケット（９ａ）を囲むとともに、第１セパレータ７の各マニホールド孔２１Ａ−２３Ｂを囲むように設けられる。   As shown in FIGS. 4 and 5, in the first modification, the seal structure 9 is configured in a form in which the first gasket portion 9 a and the second gasket portion 9 b are separate members from each other. In other words, in the first modification, the seal structure 9 is annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the first gas diffusion layer 5 as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1, and has a high height. A first gasket as a first gasket portion 9a located between the first catalyst layer 2 and the first separator 7 on the peripheral edge of the molecular electrolyte membrane 1 or on the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1; A second gasket portion 9b that is shaped and located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1 and between the first separator 7 and the second separator 8 As a second gasket. Specifically, the first gasket (9a) is provided so that the reaction gas flow path of the first separator 7 is located in the opening. The second gasket (9b) is provided so as to surround the first gasket (9a) and the manifold holes 21A-23B of the first separator 7.

また、隙間１０は、少なくとも、第１触媒層２及び第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、第１ガスケット（９ａ）と、第１セパレータ７と、第２ガスケット（９ｂ）と、により規定されており、より詳しくは、隙間１０は、第１触媒層２及び第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、第１ガスケット（９ａ）と、第１セパレータ７と、第２ガスケット（９ｂ）と、第２セパレータ８と、第２ガス拡散層６と、により規定されている。   The gap 10 includes at least the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, the first gasket (9a), the first separator 7, and the second gasket (9b). More specifically, the gap 10 includes the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, the first gasket (9a), the first separator 7, and the second separator. It is defined by the gasket (9b), the second separator 8, and the second gas diffusion layer 6.

本変形例１も、実施の形態１と同様の作用効果を奏する。   This modification 1 also has the same effect as that of the first embodiment.

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。本実施の形態２の高分子電解質形燃料電池１００は、下記の構成以外は実施の形態１の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。 (Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. The polymer electrolyte fuel cell 100 of the second embodiment is configured in the same manner as the polymer electrolyte fuel cell 100 of the first embodiment except for the following configuration.

図６に示すように、本実施の形態２では、シール構造９は、さらに第３ガスケット部９ｄを含む。第３ガスケット部９ｄは、環状で略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第２ガス拡散層６の周縁の外側に位置し、かつ高分子電解質膜１の周縁部又は高分子電解質膜１の周縁部に位置する第２触媒層３と第２セパレータ８との間に位置している。第３ガスケット部９ｄの機能、配置、及び材料は、第１ガスケット部９ａと同様である。   As shown in FIG. 6, in the second embodiment, the seal structure 9 further includes a third gasket portion 9d. The third gasket portion 9 d is annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the second gas diffusion layer 6 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1, and is the periphery of the polymer electrolyte membrane 1. Or it is located between the 2nd catalyst layer 3 located in the peripheral part of the polymer electrolyte membrane 1, and the 2nd separator 8. FIG. The function, arrangement, and material of the third gasket portion 9d are the same as those of the first gasket portion 9a.

シール構造９は、第１ガスケット部９ａ、第２ガスケット部９ｂ、及び第３ガスケット部９ｄが互いに分離した別個の部材である形態に構成されてもよく、第１ガスケット部９ａ、第２ガスケット部９ｂ、及び第３ガスケット部９ｄが単一の部材における互いに繋がった３つの部分である形態に構成されてもよい。   The seal structure 9 may be configured in a form in which the first gasket portion 9a, the second gasket portion 9b, and the third gasket portion 9d are separate members separated from each other. The first gasket portion 9a and the second gasket portion 9b and the 3rd gasket part 9d may be comprised in the form which is three parts mutually connected in the single member.

ここでは、シール構造９は、第１ガスケット部９ａ、第２ガスケット部９ｂ、及び第３ガスケット部９ｄが単一の部材における互いに繋がった３つの部分である形態に構成されている。具体的には、シール構造９は、第１ガスケット部９ａと、第２ガスケット部９ｂと、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂとを接続する第１接続部９ｃと、第３ガスケット部９ｄと、第３ガスケット部９ｄと第２ガスケット部９ｂとを接続する第２接続部９ｅとを含む１つの枠状ガスケットにより構成されている。例えば、膜触媒層接合体４に第１ガス拡散層５及び第２ガス拡散層６を設け、この枠状ガスケット（９）で膜触媒層接合体４の周縁部を挟持して膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成すると、枠状ガスケット（９）を把持することにより膜電極接合体を容易にハンドリングすることができる。   Here, the seal structure 9 is configured in a form in which the first gasket portion 9a, the second gasket portion 9b, and the third gasket portion 9d are three portions connected to each other in a single member. Specifically, the seal structure 9 includes a first gasket portion 9a, a second gasket portion 9b, a first connection portion 9c that connects the first gasket portion 9a and the second gasket portion 9b, and a third gasket portion. 9d and one frame-like gasket including a third gasket portion 9d and a second connection portion 9e that connects the second gasket portion 9b. For example, the membrane catalyst assembly 4 is provided with the first gas diffusion layer 5 and the second gas diffusion layer 6, and the peripheral edge of the membrane catalyst assembly 4 is sandwiched by the frame-shaped gasket (9). When (MEA) is configured, the membrane electrode assembly can be easily handled by gripping the frame gasket (9).

隙間１０は、少なくとも、第１触媒層２と、第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、シール構造９と、により規定される。ここでは、シール構造９が、１つの枠状ガスケットにより構成されているので、隙間１０は、第１触媒層２と、第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、シール構造９（枠状ガスケット）とにより規定されている。上述のように、枠状ガスケット（９）で膜触媒層接合体４の周縁部を挟持して膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する場合には、設計上、隙間１０は存在しなくてもよいが、膜電極接合体を用いて高分子電解質形燃料電池１００を組み立て、これを締結部材で締結することによって、隙間１０が形成される。従って、この場合には、隙間１０は意図せずに形成されることになる。   The gap 10 is defined by at least the first catalyst layer 2, the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, and the seal structure 9. Here, since the seal structure 9 is constituted by one frame-like gasket, the gap 10 is formed by the first catalyst layer 2, the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, and the seal structure 9 (frame). Shaped gasket). As described above, when the membrane electrode assembly (MEA) is configured by sandwiching the peripheral portion of the membrane catalyst layer assembly 4 with the frame-shaped gasket (9), the gap 10 does not exist in design. The gap 10 is formed by assembling the polymer electrolyte fuel cell 100 using the membrane electrode assembly and fastening it with a fastening member. Therefore, in this case, the gap 10 is formed unintentionally.

このように構成された本実施の形態２では、第３ガスケット部９ｄにより第２ガス拡散層６からの反応ガスのリークが防止されるので、実施の形態１に比べて「Ｃリーク」がより抑制される。   In the second embodiment configured as described above, the third gas gasket 9d prevents the reactant gas from leaking from the second gas diffusion layer 6, so that the “C leak” is higher than that in the first embodiment. It is suppressed.

［変形例２］
図７は実施の形態２の変形例２に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。本変形例２の高分子電解質形燃料電池１００は、下記の構成以外は実施の形態２の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。 [Modification 2]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 2 of Embodiment 2. The polymer electrolyte fuel cell 100 of the second modification is configured in the same manner as the polymer electrolyte fuel cell 100 of the second embodiment except for the following configuration.

図７に示すように、本変形例２では、シール構造９は、第１ガスケット部９ａと第２ガスケット部９ｂと第３ガスケット部９ｄとが互いに分離した別個の部材である形態に構成されている。換言すると、本変形例２では、シール構造９は、環状で略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第１ガス拡散層５の周縁の外側に位置し、かつ高分子電解質膜１の周縁部又は高分子電解質膜１の周縁部にある第１ガス拡散層５と第１セパレータ７との間に位置する第１ガスケット部９ａとしての第１ガスケットと、環状で略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、高分子電解質膜１の周縁の外側に位置し、かつ第１セパレータ７と第２セパレータ８との間に位置する第２ガスケット部９ｂとしての第２ガスケットと、環状で略矩形状であり、高分子電解質膜１の厚み方向から見て、第２ガス拡散層６の周縁の外側に位置し、かつ高分子電解質膜１の周縁部又は高分子電解質膜１の周縁部に位置する第２触媒層３と第２セパレータ８との間に位置第３ガスケット部９ｄとしての第３ガスケットと、を備えている。   As shown in FIG. 7, in the second modification, the seal structure 9 is configured such that the first gasket portion 9a, the second gasket portion 9b, and the third gasket portion 9d are separate members separated from each other. Yes. In other words, in the second modification, the seal structure 9 is annular and substantially rectangular, and is located outside the periphery of the first gas diffusion layer 5 as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1 and has a high height. A first gasket as a first gasket portion 9a located between the first gas diffusion layer 5 and the first separator 7 at the peripheral edge of the molecular electrolyte membrane 1 or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1, and substantially annular and A second gasket portion that is rectangular and is located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1 and between the first separator 7 and the second separator 8. A second gasket 9b and an annular, substantially rectangular shape, located outside the periphery of the second gas diffusion layer 6 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 1, and the periphery of the polymer electrolyte membrane 1 Part or the second catalyst layer located at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1 When and a, and a third gasket as a position third gasket portion 9d between the second separator 8.

また、隙間１０は、第１触媒層２及び第２触媒層３と、高分子電解質膜１と、第１ガスケット（９ａ）と、第１セパレータ７と、第２ガスケット（９ｂ）と、第２セパレータ８と、第３ガスケット（９ｄ）と、により規定されている。   Further, the gap 10 includes the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, the first gasket (9a), the first separator 7, the second gasket (9b), and the second It is defined by the separator 8 and the third gasket (9d).

本変形例２も、実施の形態２と同様の作用効果を奏する。   This modification 2 also has the same effect as that of the second embodiment.

［変形例３］
図８は実施の形態２の変形例３に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。本変形例３の高分子電解質形燃料電池１００は、下記の構成以外は実施の形態２の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。 [Modification 3]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 3 of Embodiment 2. The polymer electrolyte fuel cell 100 of the third modification is configured in the same manner as the polymer electrolyte fuel cell 100 of the second embodiment except for the following configuration.

図８に示すように、本変形例３では、枠状ガスケットの第１触媒層２と第１セパレータ７との間に位置する先端部分５１と接触してＯリング状のシール部材５２が配置されている。シール部材５２は、第１セパレータ７の枠状ガスケットの先端部分５１に対応する部分に設けられた溝に配置されている。そして、この枠状ガスケットの先端部分５１とシール部材５２とがシール構造９の第１ガスケット部９ａを構成している。   As shown in FIG. 8, in the third modification, an O-ring-shaped sealing member 52 is disposed in contact with the tip portion 51 located between the first catalyst layer 2 of the frame-shaped gasket and the first separator 7. ing. The seal member 52 is disposed in a groove provided in a portion corresponding to the tip portion 51 of the frame-shaped gasket of the first separator 7. The leading end portion 51 of the frame-shaped gasket and the seal member 52 constitute the first gasket portion 9a of the seal structure 9.

また、枠状ガスケットの第２触媒層３と第２セパレータ８との間に位置する先端部分５３と接触してＯリング状のシール部材５４が配置されている。シール部材５４は、第２セパレータ８の枠状ガスケットの先端部分５３に対応する部分に設けられた溝に配置されている。そして、この枠状ガスケットの先端部分５３とシール部材５４とがシール構造９の第３ガスケット部９ｄを構成している。   Further, an O-ring-shaped seal member 54 is disposed in contact with the tip portion 53 located between the second catalyst layer 3 of the frame-shaped gasket and the second separator 8. The seal member 54 is disposed in a groove provided in a portion corresponding to the tip portion 53 of the frame-shaped gasket of the second separator 8. The leading end portion 53 of this frame-shaped gasket and the seal member 54 constitute a third gasket portion 9d of the seal structure 9.

このように構成された本変形例３も、実施の形態２と同様の作用効果を奏する。   The third modification configured as described above also has the same function and effect as those of the second embodiment.

［変形例４］
図９は実施の形態２の変形例４に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。本変形例４の高分子電解質形燃料電池１００は、下記の構成以外は実施の形態２の変形例３の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。 [Modification 4]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 4 of Embodiment 2. The polymer electrolyte fuel cell 100 of Modification 4 is configured in the same manner as the polymer electrolyte fuel cell 100 of Modification 3 of Embodiment 2 except for the following configuration.

図９に示すように、本変形例４では、Ｏリング状のシール部材５２，５４がそれぞれ台形の断面を有するように形成され、それぞれ、第１セパレータ７の枠状ガスケットの先端部分５１，５３に接着されて固定されている。   As shown in FIG. 9, in the fourth modification, the O-ring-shaped sealing members 52 and 54 are formed so as to have a trapezoidal cross section, and the front end portions 51 and 53 of the frame-shaped gasket of the first separator 7 are respectively formed. It is adhered and fixed to.

このように構成された本変形例４も、実施の形態２と同様の作用効果を奏する。   This modification 4 configured as described above also has the same effects as those of the second embodiment.

（実施の形態３）
図１０は本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。図１１は、図１０の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。図１２は、図１０の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの背面図である。図１０は、図１１及び図１２におけるX−X断面を示す。 (Embodiment 3)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 11 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 12 is a rear view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. FIG. 10 shows an XX cross section in FIGS. 11 and 12.

本実施の形態３の高分子電解質形燃料電池１００は、実施の形態１の高分子電解質形燃料電池１００において、隙間冷却機構が、隙間冷却用流体流路１１ではなく、放熱機構で構成されている。これ以外は実施の形態１の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。   In the polymer electrolyte fuel cell 100 according to the third embodiment, the gap cooling mechanism in the polymer electrolyte fuel cell 100 according to the first embodiment is not a fluid passage 11 for gap cooling but a heat dissipation mechanism. Yes. Other than this, the configuration is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell 100 of the first embodiment.

具体的には、図１０乃至図１２に示すように、隙間冷却機構は、隙間１０の熱を、高分子電解質形燃料電池１００を通って当該高分子電解質形燃料電池１００の外部に導き出して放熱する放熱機構により構成されている。ここは、放熱機構が下記のように構成される例を示す。すなわち、この放熱機構３１は、隙間１０に設けられ当該隙間１０の熱を受け取る冷却板３１ａと、冷却板３１ａから第１セパレータ７又は第２セパレータ８を通って高分子電解質形燃料電池１００の外部まで延びるように形成され、冷却板３１ａの熱を伝導する熱伝導部材３１ｂと、熱伝導部材３１ｂに接続されて高分子電解質形燃料電池１００の外部に設けられ、熱伝導部材３１ｂから伝達される熱を放熱する放熱フィン３１ｃと、を備える。   Specifically, as shown in FIGS. 10 to 12, the gap cooling mechanism guides the heat of the gap 10 to the outside of the polymer electrolyte fuel cell 100 through the polymer electrolyte fuel cell 100 and dissipates heat. It is constituted by a heat dissipation mechanism. Here, an example in which the heat dissipation mechanism is configured as follows is shown. That is, the heat dissipation mechanism 31 is provided in the gap 10 and receives the heat of the gap 10, and the outside of the polymer electrolyte fuel cell 100 from the cooling plate 31 a through the first separator 7 or the second separator 8. A heat conduction member 31b that conducts heat from the cooling plate 31a, is connected to the heat conduction member 31b, is provided outside the polymer electrolyte fuel cell 100, and is transmitted from the heat conduction member 31b. Radiating fins 31c for radiating heat.

放熱機構３１は、例えば、第１触媒層２及び第２触媒層３が高分子電解質膜１の周縁部を覆う当該高分子電解質膜１の辺のほぼ全長に渡って設けられる。但し、高分子電解質膜１の当該辺の一部に渡って設けてもよい。放熱機構３１は、高分子電解質膜１の当該辺に沿って、連続するように設けてもよく、断続するように設けてもよい。熱伝導部材３１ｂは、熱伝導性の材料からなる芯部材を断熱性の材料からなる被覆層で覆うように構成することが好ましい。第１セパレータ７又は第２セパレータ８は熱伝導性の材料で構成されているため、発電部で発生する熱をも熱伝導部材３１ｂが放熱フィン３１ｃに伝達して放熱するのを防止するためである。ここで、例えば、第１セパレータ７又は第２セパレータ８を成形可能な材料で構成し、冷却板３１ａ、熱伝導部材３１ｂ、及び放熱フィン３１ｃを一体化してなる部材を第１セパレータ７又は第２セパレータ８と一緒に２色成形することにより、熱伝導部材３１ｂが当該第１セパレータ７又は第２セパレータ８を通る形態を実現することができる。   For example, the heat dissipation mechanism 31 is provided over almost the entire length of the side of the polymer electrolyte membrane 1 where the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 cover the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1. However, it may be provided over a part of the side of the polymer electrolyte membrane 1. The heat dissipation mechanism 31 may be provided continuously along the side of the polymer electrolyte membrane 1 or may be provided intermittently. The heat conductive member 31b is preferably configured to cover the core member made of a heat conductive material with a coating layer made of a heat insulating material. Since the 1st separator 7 or the 2nd separator 8 is comprised with a heat conductive material, in order to prevent that the heat-conductive member 31b transmits to the thermal radiation fin 31c and also thermally radiates the heat which generate | occur | produces in an electric power generation part. is there. Here, for example, the first separator 7 or the second separator 8 is made of a moldable material, and a member obtained by integrating the cooling plate 31a, the heat conduction member 31b, and the heat radiation fin 31c is the first separator 7 or the second separator. By forming two colors together with the separator 8, it is possible to realize a form in which the heat conducting member 31 b passes through the first separator 7 or the second separator 8.

冷却板３１ａ、熱伝導部材３１ｂ、及び放熱フィン３１ｃの材料は熱伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属が例示される。   The material of the cooling plate 31a, the heat conductive member 31b, and the radiation fin 31c is not particularly limited as long as it has heat conductivity, and examples thereof include metals such as stainless steel and aluminum.

シール構造９は、ここでは、実施の形態２の変形例２と同様に構成されているが、実施の形態１の変形例１と同様に構成してもよい。   Here, the seal structure 9 is configured in the same manner as in the second modification of the second embodiment, but may be configured in the same manner as in the first modification of the first embodiment.

以上のように構成された本実施の形態３では、高分子電解質形燃料電池１００の発電運転時に、隙間１０にほぼ運転温度であって水分を含んだ露点の高い反応ガスが第１触媒層２及び第２触媒層３の端から流入するが、当該隙間１０において、当該流入した反応ガスの熱が冷却板３１ａに受け取られ、熱伝導部材３１ｂを介して放熱フィン３１ｃに伝達され、かつそこで外部に放熱される。これにより、当該反応ガス中の水分が、冷却されて液状化し、当該隙間１０に貯留（充填）される。これにより、「Ｃリーク」が防止される。   In the third embodiment configured as described above, during the power generation operation of the polymer electrolyte fuel cell 100, the reaction gas having a high dew point at a substantially operating temperature and containing moisture is generated in the gap 10 in the first catalyst layer 2. In the gap 10, the heat of the reaction gas that has flowed in is received by the cooling plate 31a and transmitted to the heat radiating fins 31c through the heat conducting member 31b. Heat is dissipated. Thereby, the water in the reaction gas is cooled and liquefied, and stored (filled) in the gap 10. This prevents “C leak”.

［変形例５］
図１３は本実施の形態３の変形例５に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。 [Modification 5]
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Modification 5 of Embodiment 3.

図１３に示すように、本変形例５の高分子電解質形燃料電池１００は、下記以外は実施の形態３の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。すなわち、本変形例５では、放熱機構３２は、隙間１０に設けられ当該隙間１０熱を受け取る冷却板３２ａと、冷却板３２ａからシール構造９の第２ガスケット部９ｂを通って高分子電解質形燃料電池１００の外部まで延びるように形成され、当該冷却板３２ａの熱を伝導する熱伝導部材３２ｂと、熱伝導部材３２ｂに接続されて高分子電解質形燃料電池１００の外部に設けられ、熱伝導部材３２ｂから伝達される熱を放熱する放熱フィン３２ｃと、を備える。放熱機構３２の、第１触媒層２及び第２触媒層３が高分子電解質膜１の周縁部を覆う当該高分子電解質膜１の辺に沿った構成は、実施の形態３と同様である。また、放熱機構３２を構成する材料も実施の形態３と同様である。また、例えば、冷却板３２ａ、熱伝導部材３２ｂ、及び放熱フィン３２ｃを一体化してなる部材を枠状ガスケット（９）と一緒に２色成形することにより、熱伝導部材３２ｂが当該枠状ガスケット（９）を通る形態を実現することができる。   As shown in FIG. 13, the polymer electrolyte fuel cell 100 of Modification 5 is configured in the same manner as the polymer electrolyte fuel cell 100 of Embodiment 3 except for the following. That is, in the fifth modification, the heat dissipation mechanism 32 includes a cooling plate 32a that is provided in the gap 10 and receives the heat of the gap 10 and the polymer electrolyte fuel from the cooling plate 32a through the second gasket portion 9b of the seal structure 9. A heat conductive member 32b that is formed to extend to the outside of the battery 100 and that conducts heat of the cooling plate 32a, and is connected to the heat conductive member 32b and provided outside the polymer electrolyte fuel cell 100, and a heat conductive member Radiating fins 32c for radiating heat transmitted from 32b. The configuration of the heat dissipation mechanism 32 along the side of the polymer electrolyte membrane 1 where the first catalyst layer 2 and the second catalyst layer 3 cover the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 1 is the same as in the third embodiment. The material constituting the heat dissipation mechanism 32 is the same as that in the third embodiment. Further, for example, a member formed by integrating the cooling plate 32a, the heat conducting member 32b, and the heat radiation fin 32c is molded in two colors together with the frame-shaped gasket (9), so that the heat-conducting member 32b becomes the frame-shaped gasket ( 9) can be realized.

第１ガス拡散層５の端と枠状ガスケットの先端部分５１との間には、Ｏリング状のシール部材５６が配置されていて、このシール部材５６と枠状ガスケットの先端部分５１とがシール構造９の第１ガスケット部９ａを構成している。また、第２ガス拡散層６の端と枠状ガスケットの先端部分５３との間にＯリング状のシール部材５７が配置されていて、このシール部材５７と枠状ガスケットの先端部分５３とがシール構造９の第３ガスケット部９ｄを構成している。   An O-ring-shaped seal member 56 is disposed between the end of the first gas diffusion layer 5 and the tip portion 51 of the frame-shaped gasket, and the seal member 56 and the tip portion 51 of the frame-shaped gasket are sealed. The first gasket portion 9a of the structure 9 is configured. Further, an O-ring-shaped seal member 57 is disposed between the end of the second gas diffusion layer 6 and the tip portion 53 of the frame-shaped gasket, and the seal member 57 and the tip portion 53 of the frame-shaped gasket are sealed. The third gasket portion 9d of the structure 9 is configured.

なお、シール構造９を、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態２の変形例３及び変形例４のように構成してもよい。図１４は、シール構造９を、実施の形態２の変形例３ように構成した例を示し、図１５は、シール構造９を、実施の形態２の変形例４ように構成した例を示す。   The seal structure 9 may be configured as in the first embodiment, the second embodiment, and the third modification and the fourth modification of the second embodiment. FIG. 14 shows an example in which the seal structure 9 is configured as in the third modification of the second embodiment, and FIG. 15 shows an example in which the seal structure 9 is configured as in the fourth modification in the second embodiment.

以上のように構成された本変形例５も、実施の形態３と同様の作用効果を奏する。   The fifth modification configured as described above also has the same function and effect as those of the third embodiment.

（実施の形態４）
図１６は本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池の要部概略構成を示す断面図である。図１７は、図１６の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの正面図である。図１８は、図１７の高分子電解質形燃料電池の第１セパレータの背面図である。図１６は、図１７及び図１８におけるXVI−XVI断面を示す。 (Embodiment 4)
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 17 is a front view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 18 is a rear view of the first separator of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. FIG. 16 shows an XVI-XVI cross section in FIGS. 17 and 18.

図１６乃至図１８に示すように、本実施の形態４の高分子電解質形燃料電池１００は、実施の形態２の変形例２の高分子電解質形燃料電池１００において、隙間冷却機構が、隙間冷却用流体流路１１だけではなく、隙間冷却用流体流路１１と隙間１０とを連通する連通路３３により構成されている。これ以外は実施の形態２の変形例２の高分子電解質形燃料電池１００と同様に構成されている。   As shown in FIGS. 16 to 18, the polymer electrolyte fuel cell 100 of the fourth embodiment is different from the polymer electrolyte fuel cell 100 of the second modification of the second embodiment in that the gap cooling mechanism is the gap cooling. In addition to the fluid flow path 11, the communication path 33 that connects the clearance cooling fluid flow path 11 and the clearance 10 is formed. Other than this, the configuration is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell 100 of the second modification of the second embodiment.

具体的には、本実施の形態４では、第１セパレータ７と第２セパレータ８との双方に隙間冷却用流体流路１１が設けられ、この隙間冷却用流体流路１１と隙間１０とを連通するように連通路３３が設けられている。連通路３３は、高分子電解質膜１の周方向に適宜な間隔で１以上設けられる。   Specifically, in the fourth embodiment, both the first separator 7 and the second separator 8 are provided with a clearance cooling fluid flow path 11, and the clearance cooling fluid flow path 11 and the clearance 10 are communicated with each other. Thus, a communication path 33 is provided. One or more communication paths 33 are provided at appropriate intervals in the circumferential direction of the polymer electrolyte membrane 1.

なお、隙間冷却用流体流路１１及び連通路３３は、第１セパレータ７と第２セパレータ８の少なくともいずれかに設ければよい。また、シール構造９を、枠状ガスケットを含むように構成し、当該枠状ガスケットとセパレータ７，８を貫通するように連通路３３を設けてもよい。従って、シール構造９を、実施の形態１（変形例２を含む）、実施の形態２変形例３，４を含む）、及び実施の形態のシール構造９のように構成してもよい。   The clearance cooling fluid flow path 11 and the communication path 33 may be provided in at least one of the first separator 7 and the second separator 8. Further, the seal structure 9 may be configured to include a frame-shaped gasket, and the communication path 33 may be provided so as to penetrate the frame-shaped gasket and the separators 7 and 8. Therefore, the seal structure 9 may be configured as in the first embodiment (including the second modification), the second embodiment (including the third and fourth modifications), and the seal structure 9 in the embodiment.

以上のように構成された本実施の形態４では、連通路３３を通じて隙間冷却用流体流路１１から冷却流体が隙間１０に充填されるので、当該隙間１０が充填された冷却流体により冷却されるとともに「Ｃリーク」が防止される。   In the fourth embodiment configured as described above, since the cooling fluid is filled into the gap 10 from the gap cooling fluid flow path 11 through the communication path 33, the cooling fluid is cooled by the cooling fluid filled in the gap 10. At the same time, “C leak” is prevented.

なお、実施の形態１又は２において、シール構造９を、実施の形態３の変形例５のシール構造９のように構成してもよい。   In the first or second embodiment, the seal structure 9 may be configured like the seal structure 9 of the fifth modification of the third embodiment.

また、実施の形態４において、連通路３３を通常の冷却流体の流路１３Ａ又は１３Ｂと隙間１０とを連通するように設けてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。 In the fourth embodiment, the communication path 33 may be provided so as to communicate the normal cooling fluid flow path 13 </ b> A or 13 </ b> B with the gap 10.
From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に応用できる。   The solid polymer fuel cell of the present invention can be applied to a fuel cell using a polymer solid electrolyte membrane, particularly a stationary cogeneration system, an electric vehicle, and the like, while suppressing a reduction in the reaction gas utilization efficiency.

１ 高分子電解質膜
１ａ 第１主面
１ｂ 第２主面
２ 第１触媒層
３ 第２触媒層
４ 膜触媒層接合体
５ 第１ガス拡散層
６ 第２ガス拡散層
７ 第１セパレータ
８ 第２セパレータ
９ シール構造
９ａ 第１ガスケット部
９ｂ 第２ガスケット部
９ｃ 第１接続部
９ｄ 第３ガスケット部
９ｅ 第２接続部
１０ 隙間
１１ 隙間冷却用流体流路
１２Ａ 反応ガスの流路
１２Ｂ 反応ガスの流路
１３Ａ 冷却流体の流路
１３Ｂ 冷却流体の流路
１４ シール部材
２１Ａ 反応ガスマニホールド孔
２１Ｂ 反応ガスマニホールド孔
２２Ａ 反応ガスマニホールド孔
２２Ｂ 反応ガスマニホールド孔
２３Ａ 冷却流体マニホールド孔
２３Ｂ 冷却液マニホールド孔
３１ 放熱機構
３１ａ 冷却板
３１ｂ 熱伝導部材
３１ｃ 放熱フィン
３２ 放熱機構
３２ａ 冷却板
３２ｂ 熱伝導部材
３２ｃ 放熱フィン
３３ 連通路
４１ 一方の対向する２辺
４２ 長尺の膜触媒層接合体
４３ 余白
４４ 触媒層
５１ 先端部分
５２ シール部材
５３ 先端部分
５４ シール部材
５６ シール部材
５７ シール部材
６１ 内側ガスケット
６２ 外側ガスケット
１００ 高分子電解質形燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 1a 1st main surface 1b 2nd main surface 2 1st catalyst layer 3 2nd catalyst layer 4 Membrane catalyst layer assembly 5 1st gas diffusion layer 6 2nd gas diffusion layer 7 1st separator 8 2nd Separator 9 Seal structure 9a 1st gasket part 9b 2nd gasket part 9c 1st connection part 9d 3rd gasket part 9e 2nd connection part 10 Crevice 11 Crevice cooling fluid flow path 12A Reaction gas flow path 12B Reaction gas flow path 13A Cooling fluid flow path 13B Cooling fluid flow path 14 Seal member 21A Reaction gas manifold hole 21B Reaction gas manifold hole 22A Reaction gas manifold hole 22B Reaction gas manifold hole 23A Cooling fluid manifold hole 23B Coolant manifold hole 31 Heat radiation mechanism 31a Cooling Plate 31b Thermal conductive member 31c Heat radiation fin 32 Heat radiation mechanism 32a Cooling plate 32b Heat conduction member 32c Radiation fin 33 Communication path 41 Two opposite sides 42 Long membrane catalyst layer assembly 43 Blank 44 Catalyst layer 51 Tip portion 52 Seal member 53 Tip portion 54 Seal member 56 Seal member 57 Seal member 61 Inside Gasket 62 Outer gasket 100 Polymer electrolyte fuel cell

Claims (12)

一対の第１主面及び第２主面を有する略矩形状の高分子電解質膜と、
略矩形状であり、前記第１主面と対向し、かつ、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記高分子電解質膜の少なくとも１辺の周縁部を覆うように延びる第１触媒層と、
略矩形状であり、前記第２主面と対向し、かつ、前記厚み方向から見て前記少なくとも１辺の周縁部を覆うように延びる第２触媒層と、
略矩形状であり、前記厚み方向と垂直な方向から見て前記第１触媒層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１触媒層の周縁部より内方を覆うように延びる第１ガス拡散層と、
略矩形状であり、前記垂直な方向から見て前記第２触媒層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記厚み方向から見て前記第２触媒層の周縁部より内方を覆うように延びる第２ガス拡散層と、
略矩形状であり、前記垂直な方向から見て前記第１ガス拡散層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記厚み方向から見てその周縁部が前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置するように配置された第１セパレータと、
略矩形状であり、前記垂直な方向から見て前記第２ガス拡散層を挟んで前記高分子電解質膜と反対側に、かつ、前記厚み方向から見てその周縁部が前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置するように配置された第２セパレータと、
環状で略矩形状であり、前記厚み方向から見て前記第１ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部にある第１触媒層と前記第１セパレータとの間に位置する第１ガスケット部と、環状で略矩形状であり、前記厚み方向から見て前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に位置する第２ガスケット部と、を含むシール構造と、
少なくとも、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記シール構造と、により規定された隙間と、
前記隙間を冷却する隙間冷却機構と、
を備える、高分子電解質形燃料電池。 A substantially rectangular polymer electrolyte membrane having a pair of first main surface and second main surface;
A first catalyst layer having a substantially rectangular shape, facing the first main surface and extending so as to cover a peripheral portion of at least one side of the polymer electrolyte membrane as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane; ,
A second catalyst layer that is substantially rectangular, faces the second main surface, and extends so as to cover a peripheral edge of the at least one side as viewed from the thickness direction;
It has a substantially rectangular shape, is on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the first catalyst layer as viewed from the direction perpendicular to the thickness direction, and the first as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. A first gas diffusion layer extending inward from the peripheral edge of the catalyst layer;
It is substantially rectangular and is located on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the second catalyst layer as viewed from the vertical direction, and inward from the peripheral edge of the second catalyst layer as viewed from the thickness direction. A second gas diffusion layer extending to cover
The polymer electrolyte membrane is substantially rectangular, on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the first gas diffusion layer as seen from the vertical direction, and at the periphery of the polymer electrolyte membrane as seen from the thickness direction. A first separator arranged to be located outside the periphery;
It has a substantially rectangular shape, is located on the opposite side of the polymer electrolyte membrane across the second gas diffusion layer when viewed from the vertical direction, and its peripheral portion when viewed from the thickness direction is the polymer electrolyte membrane. A second separator arranged to be located outside the periphery;
An annular and substantially rectangular shape, located outside the periphery of the first gas diffusion layer as viewed from the thickness direction, and the periphery of the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte as viewed from the perpendicular direction A first gasket portion located between the first catalyst layer and the first separator at a peripheral portion of the membrane, and an annular and substantially rectangular shape, and the outer periphery of the polymer electrolyte membrane as viewed from the thickness direction And a second gasket portion positioned between the first separator and the second separator when viewed from the vertical direction, and a seal structure,
A gap defined by at least the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the seal structure;
A gap cooling mechanism for cooling the gap;
A polymer electrolyte fuel cell comprising: 前記シール構造は、さらに、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記第２ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部に位置する第２触媒層と前記第２セパレータとの間に位置する第３ガスケット部を含み、
前記隙間は、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記シール構造又は前記シール構造並びに前記第１及び第２セパレータと、により規定されている、
請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。 The seal structure is further annular and substantially rectangular, and is located outside the periphery of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and the periphery of the polymer electrolyte membrane Or a third gasket portion located between the second catalyst layer and the second separator located at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane,
The gap is defined by the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, the seal structure or the seal structure, and the first and second separators,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1. 前記隙間冷却機構は、前記第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方に、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記隙間に重なるように形成された冷却流体流路により構成される、
請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。 The gap cooling mechanism is configured by a cooling fluid channel formed on at least one of the first separator and the second separator so as to overlap the gap when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2. 前記隙間冷却機構は、前記隙間の熱を前記高分子電解質形燃料電池を通って当該高分子電解質形燃料電池の外部に導き出して放熱する放熱機構により構成される、
請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。 The gap cooling mechanism is constituted by a heat dissipation mechanism that guides heat of the gap through the polymer electrolyte fuel cell to the outside of the polymer electrolyte fuel cell to radiate heat.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2. 前記放熱機構は、
前記隙間に設けられ当該隙間の熱を受け取る冷却板と、前記冷却板から前記第１セパレータ又は第２セパレータを通って前記高分子電解質形燃料電池の外部まで延びるように形成され、当該冷却板の熱を伝導する熱伝導部材と、前記熱伝導部材に接続されて前記高分子電解質形燃料電池の外部に設けられ、前記熱伝導部材から伝達される熱を放熱する放熱フィンと、を備える、
請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。 The heat dissipation mechanism is
A cooling plate provided in the gap for receiving heat of the gap, and extending from the cooling plate to the outside of the polymer electrolyte fuel cell through the first separator or the second separator. A heat conducting member that conducts heat; and a heat dissipating fin that is connected to the heat conducting member and provided outside the polymer electrolyte fuel cell, and dissipates heat transmitted from the heat conducting member.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4. 前記放熱機構は、
前記隙間に設けられ当該隙間の熱を受け取る冷却板と、前記冷却板から前記シール構造の第２ガスケット部を通って前記高分子電解質形燃料電池の外部まで延びるように形成され、当該冷却板の熱を伝導する熱伝導部材と、前記熱伝導部材に接続されて前記高分子電解質形燃料電池の外部に設けられ、前記熱伝導部材から伝達される熱を放熱する放熱フィンと、を備える、
請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。 The heat dissipation mechanism is
A cooling plate provided in the gap for receiving heat in the gap, and extending from the cooling plate to the outside of the polymer electrolyte fuel cell through the second gasket portion of the seal structure, A heat conducting member that conducts heat; and a heat dissipating fin that is connected to the heat conducting member and provided outside the polymer electrolyte fuel cell, and dissipates heat transmitted from the heat conducting member.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4. 前記隙間冷却機構は、前記第１セパレータ及び第２セパレータの少なくとも一方に形成された冷却流体流路と前記隙間とを連通する連通路により構成される、
請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。 The gap cooling mechanism includes a cooling fluid channel formed in at least one of the first separator and the second separator and a communication path that connects the gap.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1. 前記第１触媒層及び第２触媒層は、前記高分子電解質膜の４辺又は互いに対向する２辺の周縁部を覆うように延びている、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。 The first catalyst layer and the second catalyst layer extend so as to cover the peripheral portions of the four sides of the polymer electrolyte membrane or the two sides facing each other.
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 7. 前記シール構造は、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部にある第１触媒層と前記第１セパレータとの間に位置する前記第１ガスケット部としての第１ガスケットと、環状で略矩形状であり、前記厚み方向から見て前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に位置する前記第２ガスケット部としての第２ガスケットと、を備え、
前記隙間は、少なくとも、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記第１ガスケットと、前記第１セパレータと、前記第２ガスケットと、前記第２セパレータと、により規定されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。 The seal structure is annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the first gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is the polymer when viewed from the vertical direction. The first gasket as the first gasket portion located between the first catalyst layer and the first separator at the periphery of the electrolyte membrane or the periphery of the polymer electrolyte membrane is annular and substantially rectangular. The second gasket portion located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane as seen from the thickness direction and located between the first separator and the second separator as seen from the perpendicular direction. A second gasket of
The gap includes at least the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, the first gasket, the first separator, the second gasket, and the second separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, defined by 前記シール構造は、さらに、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第２ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部に位置する第２触媒層と前記第２セパレータとの間に位置する前記第３ガスケット部としての第３ガスケットを備えて構成され、
前記隙間は、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記第１ガスケットと、前記第１セパレータと、前記第２ガスケットと、前記第２セパレータと、前記第３ガスケットと、により規定されている、
請求項９に記載の高分子電解質形燃料電池。 The seal structure is further annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is viewed from the vertical direction. A third gasket as the third gasket portion located between the second catalyst layer located at the periphery of the polymer electrolyte membrane or the periphery of the polymer electrolyte membrane and the second separator;
The gap includes the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, the first gasket, the first separator, the second gasket, the second separator, Defined by a third gasket,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 9. 前記シール構造は、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第１ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部にある第１触媒層と前記第１セパレータとの間に位置する前記第１ガスケット部と、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記高分子電解質膜の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に位置する前記第２ガスケット部と、前記第１ガスケット部と前記第２ガスケット部とを接続する第１接続部と、を含む１つの枠状ガスケットにより構成され、
前記隙間は、少なくとも、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記枠状ガスケットと、により規定されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。 The seal structure is annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the first gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is the polymer when viewed from the vertical direction. The first gasket portion positioned between the first catalyst layer and the first separator at the peripheral edge of the electrolyte membrane or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane; and the ring-shaped and substantially rectangular shape, and the polymer electrolyte The second gasket portion located outside the periphery of the polymer electrolyte membrane as seen from the thickness direction of the membrane and located between the first separator and the second separator as seen from the perpendicular direction; A first connection portion connecting the first gasket portion and the second gasket portion, and a single frame-like gasket including the first gasket portion,
The polymer electrolyte fuel according to claim 1, wherein the gap is defined by at least the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the frame gasket. battery. 前記枠状ガスケットは、さらに、環状で略矩形状であり、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て前記第２ガス拡散層の周縁の外側に位置し、かつ、前記垂直な方向から見て前記高分子電解質膜の周縁部又は前記高分子電解質膜の周縁部に位置する第２触媒層と前記第２セパレータとの間に位置する前記第３ガスケット部と前記第３ガスケット部と前記第２ガスケット部とを接続する第２接続部と、を含み、
前記隙間は、前記第１触媒層と、前記第２触媒層と、前記高分子電解質膜と、前記枠状ガスケットと、により規定されている、請求項１０に記載の高分子電解質形燃料電池。 The frame-like gasket is further annular and substantially rectangular, is located outside the periphery of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and is viewed from the vertical direction. The third gasket portion, the third gasket portion, and the second gasket positioned between the second catalyst layer and the second separator located at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane or the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane. A second connecting part for connecting the gasket part,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, wherein the gap is defined by the first catalyst layer, the second catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the frame gasket.
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