JP2015216045A - Polymer electrolyte fuel battery - Google Patents

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潤 石川
菅原　靖
Yasushi Sugawara
靖 菅原
辻　庸一郎
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel battery arranged so that a sufficient reactive gas can be supplied to a catalyst layer while suppressing the leak of the reactive gas into a gap which may be formed between an outer edge of a gas diffusion layer and a gas-seal member.SOLUTION: A polymer electrolyte fuel battery comprises: a polymer electrolyte membrane 11; a catalyst layer 12A; a frame 16; a gas diffusion layer 13A; a gas-seal member 17A provided on a principal surface of the frame 16 so as to be located outwardly from the outer edge of the gas diffusion layer 13A, and inwardly from the outer edge of the frame 16; and a separator 18A. The gas diffusion layer 13A has: a first region 31A; and second region 32A located outwardly from the first region 31A and provided to overlap with the inner edge of the frame 16. The gas diffusion layer 13A is arranged so that the degree of air infiltration resistance of the second region 32A becomes smaller than that of the first region 31A.

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。   The present invention relates to the structure of a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。   BACKGROUND ART A fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell) is an apparatus that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is.

従来、この種の燃料電池としては、例えば、特許文献１（特開２００４−４７２３０号公報）に記載されたものが知られている。図３は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の概略構成を示す断面図である。図４は、図３に示す固体高分子型燃料電池を正面から見た透視図である。   Conventionally, as this type of fuel cell, for example, one described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-47230) is known. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 4 is a perspective view of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 3 as viewed from the front.

図３及び図４に示すように、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡ（膜−電極接合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０１を一対の導電性のセパレータ１０２、１０２で挟んで構成されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes an MEA (membrane-electrode assembly) 101 as a pair of conductive separators 102, 102.

ＭＥＡ１０１は、高分子電解質膜１１１と、当該高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２、１１２とで構成されている。電極層１１２は、高分子電解質膜１１１の表面に形成された触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に形成されたガス拡散層１１４と、で構成されている。   The MEA 101 includes a polymer electrolyte membrane 111 and a pair of electrode layers 112 and 112 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 111. The electrode layer 112 includes a catalyst layer 113 formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 111 and a gas diffusion layer 114 formed on the catalyst layer 113.

また、ＭＥＡ１０１は、ハンドリング性の向上のため、その周縁部（外周領域ともいう）を額縁状に形成された補強膜１１５で保持されている。補強膜１１５の内縁部は、触媒層１１３とガス拡散層１１４との間に位置している。言い換えれば、ガス拡散層１１４は、補強膜１１５上に乗り上げるように構成されている。   Further, the MEA 101 is held by a reinforcing film 115 having a peripheral edge portion (also referred to as an outer peripheral region) formed in a frame shape in order to improve handling properties. The inner edge of the reinforcing film 115 is located between the catalyst layer 113 and the gas diffusion layer 114. In other words, the gas diffusion layer 114 is configured to run on the reinforcing film 115.

セパレータ１０２には、反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が供給される反応ガス流路１２１が形成されている。一方のセパレータ１０２の反応ガス流路１２１には、燃料ガスが供給されるとともに、他方のセパレータ１０２の反応ガス流路１２１には、酸化剤ガスが供給される。これにより、ＭＥＡ１０１内で電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。   The separator 102 is formed with a reaction gas channel 121 through which a reaction gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied. Fuel gas is supplied to the reaction gas channel 121 of one separator 102, and oxidant gas is supplied to the reaction gas channel 121 of the other separator 102. Thereby, an electrochemical reaction occurs in the MEA 101, and electric power and heat are generated.

セパレータ１０２の補強膜１１５と対向する位置には、反応ガスの外部への漏出を遮断又は抑制するために、樹脂製のガスシール材１２２が設けられている。   A resin-made gas seal material 122 is provided at a position facing the reinforcing film 115 of the separator 102 in order to block or suppress leakage of the reaction gas to the outside.

特許文献１：特開２００４−４７２３０号公報     Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-47230

しかしながら、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池であっても、締結時に部材がずれる、又は組立公差（±０．０５ｍｍ程度）が生じることにより、ガス拡散層１１４の外縁１１４ａとガスシール材１２２の内縁１２２ａとの間に隙間１２８（図４参照）が生じることが起こり得る。   However, even in the polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1, when the member is displaced at the time of fastening or an assembly tolerance (about ± 0.05 mm) occurs, the outer edge 114a of the gas diffusion layer 114 and A gap 128 (see FIG. 4) may occur between the inner edge 122a of the gas seal material 122.

そして、外縁１１４ａの外縁１１４ａとガスシール材１２２の内縁１２２ａとの間に隙間１２８が生じると、反応ガス供給マニホールド１２４から燃料電池の内部に供給された反応ガスが、反応ガス流路１２１を通らず、隙間１２８を通流して（以下、隙間１２８を通流する経路を回り込み経路１３０という）、反応ガス排出マニホールド１２６へ排出されるおそれがある。反応ガスが、回り込み経路１３０を通流すると、電極層１１２に供給される反応ガスの流量が減少し、反応ガスの利用効率が低下する。また、反応ガスが、回り込み経路１３０を通流すると、電極層１１２内で局所的に反応ガスが減少して、電圧が変動し、触媒劣化が加速される。このため、燃料電池の発電性能が低下し、また、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。   When a gap 128 is generated between the outer edge 114 a of the outer edge 114 a and the inner edge 122 a of the gas seal material 122, the reaction gas supplied from the reaction gas supply manifold 124 to the inside of the fuel cell passes through the reaction gas channel 121. Instead, the gas may flow through the gap 128 (hereinafter, a path through the gap 128 is referred to as a wraparound path 130) and be discharged to the reaction gas discharge manifold 126. When the reaction gas flows through the wraparound path 130, the flow rate of the reaction gas supplied to the electrode layer 112 decreases, and the utilization efficiency of the reaction gas decreases. Further, when the reaction gas flows through the sneak path 130, the reaction gas locally decreases in the electrode layer 112, the voltage fluctuates, and the catalyst deterioration is accelerated. For this reason, the power generation performance of the fuel cell is lowered, and the durability of the fuel cell may be lowered.

本発明は、上記従来の課題を鑑みてなされたものであり、ガス拡散層の周縁部からガス拡散層の外縁とガスシール部材の間に形成され得る隙間への反応ガスのリークを抑制しつつ、触媒層には反応ガスを充分に供給して、電池性能の低下を抑制することができる、高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and suppresses the leakage of the reaction gas from the peripheral portion of the gas diffusion layer to the gap that can be formed between the outer edge of the gas diffusion layer and the gas seal member. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell in which a reaction gas can be sufficiently supplied to a catalyst layer to suppress a decrease in battery performance.

本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、ガス拡散層の透気抵抗度がクロスリーク量に比例することを見出し、本発明を想到した。   As a result of intensive studies in order to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have found that the air permeability resistance of the gas diffusion layer is proportional to the cross leak amount, and have arrived at the present invention.

すなわち、本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、前記高分子電解質膜の周縁部に設けられた枠体と、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体を覆うように設けられたガス拡散層と、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁よりも外側に位置し、かつ、前記枠体の外縁よりも内側に位置するように、前記枠体の主面上に設けられたガスシール部材と、その内面が前記ガス拡散層及び前記ガスシール部材と接触するように設けられたセパレータと、を備え、前記ガス拡散層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見た場合に、内方に位置する第１領域と、前記第１領域よりも外方に位置し、前記枠体の内縁と重なるように設けられた第２領域と、を有し、前記第２領域の透気抵抗度が前記第１領域の透気抵抗度よりも小さくなるように構成されている。   That is, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane, a frame provided on a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, A gas diffusion layer provided so as to cover the catalyst layer and the frame body such that an outer edge thereof is located outside an inner edge of the frame body as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane; When viewed from the thickness direction of the molecular electrolyte membrane, the gas diffusion layer is provided on the main surface of the frame body so as to be located outside the outer edge of the gas diffusion layer and inside the outer edge of the frame body. A gas seal member, and a separator provided so that an inner surface thereof is in contact with the gas diffusion layer and the gas seal member, wherein the gas diffusion layer is viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. A first region located inward, and the first region A second region that is located on the outer side and is provided so as to overlap the inner edge of the frame, and the air resistance of the second region is higher than the air resistance of the first region It is comprised so that it may become small.

これにより、ガス拡散層の周縁部からガス拡散層の外縁とガスシール部材の間に形成され得る隙間への反応ガスのリークを抑制しつつ、触媒層には反応ガスを充分に供給することができる。このため、燃料電池の性能低下を抑制し、耐久性を向上させることができる。   Thus, the reaction gas can be sufficiently supplied to the catalyst layer while suppressing the leakage of the reaction gas from the peripheral portion of the gas diffusion layer to the gap that can be formed between the outer edge of the gas diffusion layer and the gas seal member. it can. For this reason, the performance degradation of the fuel cell can be suppressed and the durability can be improved.

本発明に係る高分子電解質形燃料電池によれば、燃料電池の性能低下を抑制し、耐久性を向上させることができる。   According to the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, it is possible to suppress the performance degradation of the fuel cell and improve the durability.

図１は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の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 the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment. 図２は、図１に示す高分子電解質形燃料電池の正面から見た透視図である。2 is a perspective view seen from the front of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 図３は、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の概略構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 図４は、図３に示す固体高分子型燃料電池を正面から見た透視図である。4 is a perspective view of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 3 as viewed from the front.

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。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In all the drawings, components necessary for explaining the present invention are extracted and shown, and other components may be omitted. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、高分子電解質膜の周縁部に設けられた枠体と、高分子電解質膜の厚み方向から見て、その外縁が枠体の内縁よりも外側に位置するように、触媒層及び枠体を覆うように設けられたガス拡散層と、高分子電解質膜の厚み方向から見て、ガス拡散層の外縁よりも外側に位置し、かつ、枠体の外縁よりも内側に位置するように、枠体の主面上に設けられたガスシール部材と、その内面がガス拡散層及びガスシール部材と接触するように設けられたセパレータと、を備え、ガス拡散層は、高分子電解質膜の厚み方向から見て、内方に位置する第１領域と、第１領域よりも外方に位置し、枠体の内縁と重なるように設けられた第２領域と、を有し、第２領域の透気抵抗度が第１領域の透気抵抗度よりも小さくなるように構成されている。 (Embodiment 1)
The polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 includes a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane, a frame provided at the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, A gas diffusion layer provided so as to cover the catalyst layer and the frame so that its outer edge is located outside the inner edge of the frame as viewed from the thickness direction of the molecular electrolyte membrane, and the thickness direction of the polymer electrolyte membrane And a gas seal member provided on the main surface of the frame body so as to be located outside the outer edge of the gas diffusion layer and inside the outer edge of the frame body, and its inner surface is a gas A separator provided in contact with the diffusion layer and the gas seal member, and the gas diffusion layer includes a first region located inward as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and a first region Is also located outside, a second region provided to overlap the inner edge of the frame, A, air resistance of the second area is configured to be smaller than the air resistance of the first region.

以下、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の一例について、図１及び図２を参照しながら説明する。   Hereinafter, an example of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

［高分子電解質形燃料電池の構成］
図１は、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示す高分子電解質形燃料電池の正面から見た透視図である。なお、図２においては、一部のマニホールド孔等の記載を省略し、ガス拡散層の第１領域及び第２領域にハッチングを付している。 [Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment. 2 is a perspective view seen from the front of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. In FIG. 2, the description of some manifold holes and the like is omitted, and the first region and the second region of the gas diffusion layer are hatched.

図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１０は、ＭＥＡ１５、枠体１６、ガスシール部材１７Ａ，１７Ｂ、アノードセパレータ１８Ａ、及びカソードセパレータ１８Ｂを備えている、ＭＥＡ１５は、高分子電解質膜１１、アノード１４Ａ、及びカソード１４Ｂから構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the polymer electrolyte fuel cell 10 according to the first embodiment includes an MEA 15, a frame 16, gas seal members 17A and 17B, an anode separator 18A, and a cathode separator 18B. The MEA 15 includes a polymer electrolyte membrane 11, an anode 14A, and a cathode 14B.

高分子電解質膜１１は、略４角形状（ここでは、矩形状）に形成されていて、水素イオンを選択的に輸送するように構成されている。また、高分子電解質膜１１の両面には、アノード１４Ａとカソード１４Ｂが、それぞれ、配設されている。   The polymer electrolyte membrane 11 is formed in a substantially quadrangular shape (here, rectangular shape), and is configured to selectively transport hydrogen ions. An anode 14A and a cathode 14B are provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11, respectively.

アノード１４Ａは、アノード触媒層１２Ａとアノードガス拡散層１３Ａを有している。また、カソード１４Ｂは、カソード触媒層１２Ｂとカソードガス拡散層１３Ｂを有している。   The anode 14A has an anode catalyst layer 12A and an anode gas diffusion layer 13A. The cathode 14B includes a cathode catalyst layer 12B and a cathode gas diffusion layer 13B.

アノード触媒層１２Ａは、高分子電解質膜１１の一方の主面に配置されていて、カソード触媒層１２Ｂは、高分子電解質膜１１の他方の主面に配置されている。具体的には、アノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、その外周面が、高分子電解質膜１１の外周面よりも内方に位置するように配設されている。   The anode catalyst layer 12 </ b> A is disposed on one main surface of the polymer electrolyte membrane 11, and the cathode catalyst layer 12 </ b> B is disposed on the other main surface of the polymer electrolyte membrane 11. Specifically, the anode catalyst layer 12 </ b> A and the cathode catalyst layer 12 </ b> B are such that the outer peripheral surfaces thereof are located inward of the outer peripheral surface of the polymer electrolyte membrane 11 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. It is arranged.

アノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂは、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を有している。なお、アノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂは、同じ構成されていてもよく、異なる構成であってもよい。   The anode catalyst layer 12A and the cathode catalyst layer 12B have a catalyst-supported carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst) and a polymer electrolyte attached to the catalyst-supported carbon. . The anode catalyst layer 12A and the cathode catalyst layer 12B may have the same configuration or different configurations.

枠体１６は、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、環状に形成されていて、その外周面（外縁）と内周面（内縁）は、矩形状に形成されている。また、枠体１６は、高分子電解質膜１１の周縁部とアノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂの周縁部を挟むように構成されている。換言すると、枠体１６は、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、その内周面がアノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂの外周面よりも内方に位置し、その外周面が高分子電解質膜１１の外周面よりも外方に位置するように構成されている。   The frame 16 is formed in an annular shape when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, and the outer peripheral surface (outer edge) and the inner peripheral surface (inner edge) thereof are formed in a rectangular shape. The frame body 16 is configured to sandwich the peripheral edge portion of the polymer electrolyte membrane 11 and the peripheral edge portions of the anode catalyst layer 12A and the cathode catalyst layer 12B. In other words, the frame 16 has its inner peripheral surface positioned inward of the outer peripheral surfaces of the anode catalyst layer 12A and the cathode catalyst layer 12B as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, and its outer peripheral surface is high. The molecular electrolyte membrane 11 is configured to be located outward from the outer peripheral surface.

アノードガス拡散層１３Ａは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、アノード触媒層１２Ａの主面と枠体１６の一方の主面を覆うように配置されている。より詳しくは、アノードガス拡散層１３Ａは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、その外周面（外縁）がアノード触媒層１２Ａの外周面よりも外方に位置し、かつ、枠体１６の外周面よりも内方に位置するように配設されている。   The anode gas diffusion layer 13 </ b> A is disposed so as to cover the main surface of the anode catalyst layer 12 </ b> A and one main surface of the frame body 16 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. More specifically, the anode gas diffusion layer 13A has an outer peripheral surface (outer edge) located outside the outer peripheral surface of the anode catalyst layer 12A as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, and the frame body 16 It arrange | positions so that it may be located inward rather than the outer peripheral surface.

同様に、カソードガス拡散層１３Ｂは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、カソード触媒層１２Ｂの主面と枠体１６の他方の主面を覆うように配置されている。より詳しくは、カソードガス拡散層１３Ｂは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、その外周面（外縁）がカソード触媒層１２Ｂの外周面よりも外方に位置し、かつ、枠体１６の外周面よりも内方に位置するように配設されている。   Similarly, the cathode gas diffusion layer 13 </ b> B is disposed so as to cover the main surface of the cathode catalyst layer 12 </ b> B and the other main surface of the frame 16 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. More specifically, the cathode gas diffusion layer 13B has an outer peripheral surface (outer edge) positioned outside the outer peripheral surface of the cathode catalyst layer 12B as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, and the frame body 16 It arrange | positions so that it may be located inward rather than the outer peripheral surface.

また、アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂの周囲には、枠体１６を挟んで一対のガスシール部材１７Ａ，１７Ｂが配設されている。より詳しくは、ガスシール部材１７Ａ，１７Ｂは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂの外周面よりも外方に位置し、かつ、枠体１６の外周面よりも内方に位置するように配設されている。そして、ガスシール部材１７Ａ，１７Ｂは、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、燃料ガス供給マニホールド孔４１、燃料ガス排出マニホールド孔４２等の各マニホールド孔とアノードガス拡散層１３Ａを囲むように、環状に形成されている（図２参照）。   A pair of gas seal members 17A and 17B are disposed around the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B with the frame body 16 therebetween. More specifically, the gas seal members 17A and 17B are located outward from the outer peripheral surfaces of the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, and the frame body. It arrange | positions so that it may be located inward rather than 16 outer peripheral surfaces. The gas seal members 17A and 17B surround each manifold hole such as the fuel gas supply manifold hole 41 and the fuel gas discharge manifold hole 42 and the anode gas diffusion layer 13A when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. It is formed in an annular shape (see FIG. 2).

また、ＭＥＡ１５、枠体１６、及びガスシール部材１７Ａ，１７Ｂを挟むように、導電性のアノードセパレータ１８Ａとカソードセパレータ１８Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ１５等が機械的に固定され、複数の高分子電解質形燃料電池１０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ１５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ１８Ａ及びカソードセパレータ１８Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したもの、または、チタン又は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。また、アノードセパレータ１８Ａ及びカソードセパレータ１８Ｂは、多孔質製のセパレータを使用することができる。   Further, a conductive anode separator 18A and a cathode separator 18B are disposed so as to sandwich the MEA 15, the frame body 16, and the gas seal members 17A and 17B. Thereby, MEA15 grade | etc., Is fixed mechanically, and when the several polymer electrolyte fuel cell 10 is laminated | stacked in the thickness direction, MEA15 is electrically connected. As the anode separator 18A and the cathode separator 18B, a metal having excellent thermal conductivity and conductivity, graphite, or a mixture of graphite and a resin can be used. For example, carbon powder and a binder (solvent) A mixture prepared by injection molding or a plate of titanium or stainless steel plated with gold can be used. Moreover, a porous separator can be used for the anode separator 18A and the cathode separator 18B.

アノードセパレータ１８Ａのアノード１４Ａと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路１９が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路２１が設けられている。同様に、カソードセパレータ１８Ｂのカソード１４Ｂと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路２０が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路２１が設けられている。   On one main surface of the anode separator 18A that is in contact with the anode 14A, a groove-like fuel gas flow channel 19 is provided to allow the fuel gas to flow therethrough. On the other main surface, a cooling medium is provided. A groove-like cooling medium flow path 21 is provided for flow. Similarly, a groove-like oxidant gas flow path 20 through which an oxidant gas flows is provided on one main surface of the cathode separator 18B in contact with the cathode 14B, and on the other main surface. Is provided with a groove-like cooling medium flow path 21 through which the cooling medium flows.

なお、燃料ガス流路１９、酸化剤ガス流路２０、及び冷却媒体流路２１の流路の形状は任意であり、例えば、いわゆるストレート状に形成されていてもよく、サーペンタイン状に形成されていてもよく、また、渦巻状に形成されていてもよい。   The fuel gas channel 19, the oxidant gas channel 20, and the cooling medium channel 21 may have any shape. For example, the fuel gas channel 19, the oxidant gas channel 20, and the cooling medium channel 21 may be formed in a so-called straight shape. It may also be formed in a spiral shape.

これにより、アノード１４Ａ及びカソード１４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、水又は不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の冷却媒体を冷却媒体流路２１に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。   Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode 14A and the cathode 14B, respectively, and these gases react to generate electricity and heat. Further, the generated heat is recovered by passing a cooling medium such as water or an antifreeze liquid (for example, an ethylene glycol-containing liquid) through the cooling medium flow path 21.

なお、このように構成された高分子電解質形燃料電池１０を単電池（セル）として使用してもよく、高分子電解質形燃料電池１０を複数積層して燃料電池スタックとして使用してもよい。また、高分子電解質形燃料電池１０を積層する場合には、冷却媒体流路２１を単電池２〜３個ごとに設ける構成としてもよい。さらに、単電池間に冷却媒体流路２１を設けない場合には、２つのＭＥＡ１５に挟まれたセパレータを、一方の主面に燃料ガス流路１９を設け、他方の主面に酸化剤ガス流路２０を設けた、アノードセパレータ１８Ａとカソードセパレータ１８Ｂを兼ねるセパレータを使用してもよい。   The polymer electrolyte fuel cell 10 thus configured may be used as a unit cell (cell), or a plurality of polymer electrolyte fuel cells 10 may be stacked to be used as a fuel cell stack. Further, when the polymer electrolyte fuel cell 10 is stacked, the cooling medium flow path 21 may be provided for every two to three unit cells. Further, when the cooling medium flow path 21 is not provided between the single cells, the separator sandwiched between the two MEAs 15 is provided, the fuel gas flow path 19 is provided on one main surface, and the oxidant gas flow is provided on the other main surface. A separator that serves as the anode separator 18 </ b> A and the cathode separator 18 </ b> B provided with the passage 20 may be used.

［ガス拡散層の構成］
次に、アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂの構成について、図１及び図２を参照しながら、さらに詳細に説明する。 [Configuration of gas diffusion layer]
Next, the configuration of the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B will be described in more detail with reference to FIGS.

図１及び図２に示すように、アノードガス拡散層１３Ａは、第１領域３１Ａと第２領域３２Ａを有している。同様に、カソードガス拡散層１３Ｂは、第１領域３１Ｂと第２領域３２Ｂを有している。アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂ）は、高分子電解質膜１１の厚み方向から見て、アノード触媒層１２Ａ（カソード触媒層１２Ｂ）の外周より内方に位置する部分（周縁部）及び枠体１６と重なるように構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the anode gas diffusion layer 13A has a first region 31A and a second region 32A. Similarly, the cathode gas diffusion layer 13B has a first region 31B and a second region 32B. The second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B) is located inward from the outer periphery of the anode catalyst layer 12A (cathode catalyst layer 12B) when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. It is comprised so that it may overlap with the part (peripheral part) located in the direction, and the frame 16.

より詳細には、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂ）は、アノードガス拡散層１３Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂ）の外端（外周）と、該外端から内方に所定の距離Ｎ離れた部分と、の間の領域である。換言すると、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂ）は、アノードガス拡散層１３Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂ）の外端からの幅が所定の距離Ｎである領域である。   More specifically, the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B) is connected to the outer end (outer periphery) of the anode gas diffusion layer 13A (cathode gas diffusion layer 13B), This is an area between the outer end and a portion separated by a predetermined distance N inward. In other words, the width of the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B) from the outer end of the anode gas diffusion layer 13A (cathode gas diffusion layer 13B) is a predetermined distance N. It is an area.

所定の距離Ｎは、アノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂの劣化を抑制する観点から、５ｍｍ以下であってもよく、より好ましくは３ｍｍ以下であってもよい。また、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂ）は、アノード触媒層１２Ａ及びカソード触媒層１２Ｂの劣化を抑制する観点から、その面積が、アノードガス拡散層１３Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂ）の面積の１／５以下であってもよく、より好ましくは１／１０以下であってもよい。   The predetermined distance N may be 5 mm or less, more preferably 3 mm or less, from the viewpoint of suppressing deterioration of the anode catalyst layer 12A and the cathode catalyst layer 12B. The area of the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B) is anode gas diffusion from the viewpoint of suppressing deterioration of the anode catalyst layer 12A and the cathode catalyst layer 12B. It may be 1/5 or less of the area of the layer 13A (cathode gas diffusion layer 13B), more preferably 1/10 or less.

そして、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの第２領域３２Ｂ）は、その透気抵抗度が、第１領域３１Ａ（第１領域３１Ｂ）の透気抵抗度よりも小さくなるように構成されている。   The second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 3B) has a gas resistance greater than that of the first region 31A (first region 31B). It is comprised so that it may become small.

具体的には、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層３Ｂの第２領域３２Ｂ）の透気抵抗度は、高分子電解質形燃料電池１０の電池性能の低下を抑制する観点から、ガーレー秒数で５０秒より大きくてもよく、１００秒以上であってもよい。一方、アノードガス拡散層１３Ａの第１領域３１Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第１領域３１Ｂ）の透気抵抗度は、アノード触媒層１２Ａ（カソード触媒層１２Ｂ）に反応ガスを充分に供給する観点から、ガーレー秒数で５０秒以下であってもよく、３０秒以下であってもよい。なお、透気抵抗度は、ＪＩＳ Ｐ−８１１７に準じて、ガーレー式デンソメーターを使用して測定することができる。   Specifically, the air permeability resistance of the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (the second region 32B of the cathode gas diffusion layer 3B) is a viewpoint that suppresses the deterioration of the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell 10. Therefore, the Gurley seconds may be greater than 50 seconds or 100 seconds or more. On the other hand, the air permeability resistance of the first region 31A (the first region 31B of the cathode gas diffusion layer 13B) of the anode gas diffusion layer 13A is a viewpoint of sufficiently supplying the reaction gas to the anode catalyst layer 12A (cathode catalyst layer 12B). From Gurley seconds, it may be 50 seconds or less, or 30 seconds or less. The air resistance can be measured using a Gurley densometer according to JIS P-8117.

ここで、第２領域３２Ａ（第２領域３２Ｂ）の透気抵抗度を第１領域３１Ａ（第１領域３１Ｂ）よりも小さくするには、例えば、アノードガス拡散層１３Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂ）を作成するときに、第２領域３２Ａ（第２領域３２Ｂ）の焼成温度を下げる、又は第２領域３２Ａ（第２領域３２Ｂ）にロールプレス装置により当該部分を押圧する等が挙げられる。第２領域３２Ａ（第２領域３２Ｂ）の焼成温度としては、例えば、２８０〜３００℃であってもよい、ロールプレス装置で押圧する荷重としては、例えば、線圧が０．２〜０．３Ｎ／ｍであってもよい。   Here, in order to make the air permeability resistance of the second region 32A (second region 32B) smaller than that of the first region 31A (first region 31B), for example, the anode gas diffusion layer 13A (cathode gas diffusion layer 13B). For example, the firing temperature of the second region 32A (second region 32B) is lowered or the portion is pressed against the second region 32A (second region 32B) by a roll press device. The firing temperature of the second region 32A (second region 32B) may be, for example, 280 to 300 ° C. The load pressed by the roll press device is, for example, a linear pressure of 0.2 to 0.3 N / M.

また、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂ）の多孔度が、第１領域３１Ａ（第１領域３１Ｂ）の多孔度よりも大きくなるように構成されていてもよい。   Further, the porosity of the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B) is configured to be larger than the porosity of the first region 31A (first region 31B). It may be.

具体的には、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂ）の多孔度は、４５％以下であってもよく、３０％以下であってもよく、２０％以下であってもよく、１０％以下であってもよい。また、アノードガス拡散層１３Ａの第１領域３１Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第１領域３１Ｂ）の多孔度は、アノード触媒層１２Ａ（カソード触媒層１２Ｂ）への反応ガスの供給を充分に行う観点から、５０％以上であることが好ましい。また、アノードガス拡散層１３Ａの第１領域３１Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂの第１領域３１Ｂ）の多孔度は、生成水等の水をガス拡散層に保持させる観点から、７０％以下であることが好ましい。   Specifically, the porosity of the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A (second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B) may be 45% or less, or 30% or less. It may be 20% or less, or 10% or less. Further, the porosity of the first region 31A (the first region 31B of the cathode gas diffusion layer 13B) of the anode gas diffusion layer 13A is a viewpoint for sufficiently supplying the reaction gas to the anode catalyst layer 12A (cathode catalyst layer 12B). Therefore, it is preferably 50% or more. The porosity of the first region 31A of the anode gas diffusion layer 13A (the first region 31B of the cathode gas diffusion layer 13B) is 70% or less from the viewpoint of retaining water such as generated water in the gas diffusion layer. Is preferred.

アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。   The material constituting the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B is not particularly limited, and those known in the art can be used. For example, conductive porous materials such as carbon cloth and carbon paper can be used. A quality substrate can be used. In addition, the conductive porous substrate may be subjected to water repellent treatment by a conventionally known method.

また、アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材を用いずに、バインダー樹脂と導電性粒子とを含むシートで構成してもよい。   In addition, the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B are made of a binder resin and conductive particles without using a carbon fiber base material impregnated with a resin used in a gas diffusion layer in a conventional fuel cell. You may comprise by the sheet | seat containing.

バインダー樹脂としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられ、導電性粒子としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。フッ素樹脂としては、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。   Examples of the binder resin include a fluororesin, and examples of the conductive particles include particles made of carbon. Fluororesin includes PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polyethylene). Chlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like, and PTFE is preferred 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.

また、カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、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。   In addition, examples of the carbon material include graphite, carbon black, activated carbon, 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.

そして、アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂには、バインダーとしての機能を奏させる観点から、バインダー樹脂が、５重量％以上含まれていることが好ましく、アノードガス拡散層１３Ａ又はカソードガス拡散層１３Ｂを均一な厚さにするための圧延プロセス時の条件を簡易にする観点から、５０重量％以下で含まれていることが好ましい。また、上記と同様の観点から、１０〜３０重量％の量で含まれていることがより好ましい。   The anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B preferably contain 5% by weight or more of a binder resin from the viewpoint of providing a function as a binder. The anode gas diffusion layer 13A or the cathode gas From the viewpoint of simplifying the conditions during the rolling process for making the diffusion layer 13B uniform, it is preferably contained at 50% by weight or less. Moreover, it is more preferable that it is contained in the quantity of 10-30 weight% from a viewpoint similar to the above.

なお、アノードガス拡散層１３Ａ又はカソードガス拡散層１３Ｂには、バインダー樹脂及び導電性粒子以外に、分散溶媒、界面活性剤等が含まれていてもよい。分散溶媒としては、水、メタノール又は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。また、界面活性剤としては、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。また、分散溶媒量、界面活性剤量は、アノードガス拡散層１３Ａ又はカソードガス拡散層１３Ｂを構成する導電性粒子の材料（カーボン材料）、バインダー樹脂（フッ素樹脂）の種類、バインダー樹脂（フッ素樹脂）と導電性粒子（カーボン）の配合比等により適宜選択可能である。一般的には、分散溶媒量、界面活性剤量が多いほど、バインダー樹脂（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。   Note that the anode gas diffusion layer 13A or the cathode gas diffusion layer 13B may contain a dispersion solvent, a surfactant, and the like in addition to the binder resin and the conductive particles. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol or ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ether and amphoteric ions such as alkylamine oxide. Further, the amount of the dispersion solvent and the amount of the surfactant are as follows: the conductive particle material (carbon material) constituting the anode gas diffusion layer 13A or the cathode gas diffusion layer 13B, the type of binder resin (fluorine resin), and the binder resin (fluororesin). ) And conductive particles (carbon). In general, as the amount of the dispersion solvent and the amount of the surfactant increases, the binder resin (fluororesin) and the conductive particles (carbon) tend to be uniformly dispersed, but the fluidity tends to increase and it becomes difficult to form a sheet. is there.

ここで、アノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂを形成するシートの製造方法について説明する。   Here, a manufacturing method of a sheet for forming the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B will be described.

シートは、バインダー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・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、バインダー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、界面活性剤を除去することでアノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂを形成するシートが製造される。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。   The sheet is produced by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a binder resin and conductive particles. Specifically, carbon, which is conductive particles, a dispersion solvent, and a surfactant are introduced into a stirrer / kneader, and then kneaded, pulverized, and granulated to disperse the carbon in the dispersed solvent. Next, the fluororesin as the binder resin is further dropped into a stirrer / kneader and stirred and kneaded to disperse the carbon and the 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 for forming the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B. 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.

なお、このようにして製造されたアノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂは、従来の燃料電池におけるガス拡散層で使用されている樹脂を含浸した炭素繊維の基材よりも多孔度が低いものの、反応ガス（酸化剤ガス）が、充分に移動できる程度の多孔度となるように構成されている。このため、上記製造方法で製造されたアノードガス拡散層１３Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂであっても、ガス拡散層としての役割を充分に果たす。   The anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B thus manufactured have a lower porosity than the carbon fiber base material impregnated with the resin used in the gas diffusion layer in the conventional fuel cell. However, the reaction gas (oxidant gas) is configured to have a porosity that can be sufficiently moved. For this reason, even the anode gas diffusion layer 13A and the cathode gas diffusion layer 13B manufactured by the above manufacturing method sufficiently serve as the gas diffusion layer.

［高分子電解質形燃料電池の作用効果］
上述したように、高分子電解質形燃料電池１０の締結時に部材がずれる等により、アノードガス拡散層１３Ａ（カソードガス拡散層１３Ｂ）とガスシール部材１７Ａ（ガスシール部材１７Ｂ）との間に隙間４０が生じるおそれがある（図２参照）。 [Effects of polymer electrolyte fuel cell]
As described above, the gap 40 is formed between the anode gas diffusion layer 13A (cathode gas diffusion layer 13B) and the gas seal member 17A (gas seal member 17B) due to, for example, displacement of the members when the polymer electrolyte fuel cell 10 is fastened. May occur (see FIG. 2).

しかしながら、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１０では、アノードガス拡散層１３Ａにおける第２領域３２Ａの透気抵抗度が、第１領域３１Ａの透気抵抗度よりも小さくなるように構成することで、第２領域３２Ａから隙間４０への燃料ガスのリークが抑制される。このため、隙間４０にリークされた燃料ガスが該隙間４０を通流して、アノード触媒層１２Ａでの反応に寄与せずに燃料ガス排出マニホールド孔４２に排出されることが抑制される。これにより、アノード触媒層１２Ａに燃料ガスが充分に供給され、高分子電解質形燃料電池１０の電池性能の低下を抑制することができる。   However, in the polymer electrolyte fuel cell 10 according to Embodiment 1, the air resistance of the second region 32A in the anode gas diffusion layer 13A is smaller than the air resistance of the first region 31A. By comprising, the leak of the fuel gas from the 2nd area | region 32A to the clearance gap 40 is suppressed. For this reason, the fuel gas leaked into the gap 40 flows through the gap 40 and is prevented from being discharged into the fuel gas discharge manifold hole 42 without contributing to the reaction in the anode catalyst layer 12A. As a result, the fuel gas is sufficiently supplied to the anode catalyst layer 12 </ b> A, and a decrease in the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell 10 can be suppressed.

同様に、本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１０では、カソードガス拡散層１３Ｂにおける第２領域３２Ｂの透気抵抗度が、第１領域３１Ｂの透気抵抗度よりも小さくなるように構成することで、第２領域３２Ｂから隙間４０への酸化剤ガスのリークが抑制される。このため、隙間４０にリークされた酸化剤ガスが該隙間４０を通流して、カソード触媒層１２Ｂでの反応に寄与せずに酸化剤ガス排出マニホールド孔に排出されることが抑制される。これにより、カソード触媒層１２Ｂに酸化剤ガスが充分に供給され、高分子電解質形燃料電池１０の電池性能の低下を抑制することができる。   Similarly, in the polymer electrolyte fuel cell 10 according to Embodiment 1, the air resistance of the second region 32B in the cathode gas diffusion layer 13B is smaller than the air resistance of the first region 31B. With this configuration, leakage of the oxidant gas from the second region 32B to the gap 40 is suppressed. For this reason, it is suppressed that the oxidant gas leaked into the gap 40 flows through the gap 40 and is discharged into the oxidant gas discharge manifold hole without contributing to the reaction in the cathode catalyst layer 12B. Thereby, the oxidant gas is sufficiently supplied to the cathode catalyst layer 12 </ b> B, and the deterioration of the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell 10 can be suppressed.

なお、本実施の形態１においては、アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ａの両方の透気抵抗度を、それぞれ、第１領域３１Ａ及び第１領域３１Ｂの透気抵抗度よりも小さくする形態を採用したが、これに限定されない。アノードガス拡散層１３Ａの第２領域３２Ａ及びカソードガス拡散層１３Ｂの第２領域３２Ｂのいずれか一方の第２領域の透気抵抗度を、第１領域の透気抵抗度よりも小さくする形態を採用してもよい。   In the first embodiment, the air resistance of both the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A and the second region 32A of the cathode gas diffusion layer 13B is set to the first region 31A and the first region, respectively. Although the form which makes it smaller than the air permeability resistance of 31B was employ | adopted, it is not limited to this. A configuration in which the air resistance of the second region of any one of the second region 32A of the anode gas diffusion layer 13A and the second region 32B of the cathode gas diffusion layer 13B is made smaller than the air resistance of the first region. It may be adopted.

本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、燃料電池の性能低下を抑制し、耐久性を向上させることができるため、燃料電池の分野で有用である。   The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is useful in the field of fuel cells because it can suppress a decrease in performance of the fuel cell and improve durability.

１０ 高分子電解質形燃料電池
１１ 高分子電解質膜
１２Ａ アノード触媒層
１２Ｂ カソード触媒層
１３Ａ アノードガス拡散層
１３Ｂ カソードガス拡散層
１４Ａ アノード
１４Ｂ カソード
１５ ＭＥＡ
１６ 枠体
１７Ａ ガスシール部材
１７Ｂ ガスシール部材
１８Ａ アノードセパレータ
１８Ｂ カソードセパレータ
１９ 燃料ガス流路
２０ 酸化剤ガス流路
２１ 冷却媒体流路
３１Ａ 第１領域
３１Ｂ 第１領域
３２Ａ 第２領域
３２Ｂ 第２領域
４０ 隙間
４１ 燃料ガス供給マニホールド孔
４２ 燃料ガス排出マニホールド孔
１０１ ＭＥＡ
１０２ セパレータ
１１１ 高分子電解質膜
１１２ 電極層
１１３ 触媒層
１１４ ガス拡散層
１１４ａ 外縁
１１５ 補強膜
１２１ 反応ガス流路
１２２ ガスシール材
１２２ａ 内縁
１２４ 反応ガス供給マニホールド
１２６ 反応ガス排出マニホールド
１２８ 隙間
１３０ 回り込み経路


DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polymer electrolyte fuel cell 11 Polymer electrolyte membrane 12A Anode catalyst layer 12B Cathode catalyst layer 13A Anode gas diffusion layer 13B Cathode gas diffusion layer 14A Anode 14B Cathode 15 MEA
16 Frame 17A Gas seal member 17B Gas seal member 18A Anode separator 18B Cathode separator 19 Fuel gas flow channel 20 Oxidant gas flow channel 21 Cooling medium flow channel 31A First region 31B First region 32A Second region 32B Second region 40 Clearance 41 Fuel gas supply manifold hole 42 Fuel gas discharge manifold hole 101 MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 Separator 111 Polymer electrolyte membrane 112 Electrode layer 113 Catalyst layer 114 Gas diffusion layer 114a Outer edge 115 Reinforcement film 121 Reactive gas flow path 122 Gas seal material 122a Inner edge 124 Reactive gas supply manifold 126 Reactive gas discharge manifold 128 Gap 130 Circulation path


Claims (6)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜上に設けられた触媒層と、
前記高分子電解質膜の周縁部に設けられ、前記高分子電解質膜の周縁部と前記触媒層の周縁部を挟むように構成された枠体と、
前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、その外縁が前記枠体の内縁よりも外側に位置するように、前記触媒層及び前記枠体を覆うように設けられたガス拡散層と、
前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁よりも外側に位置し、かつ、前記枠体の外縁よりも内側に位置するように、前記枠体の主面上に設けられたガスシール部材と、
その内面が前記ガス拡散層及び前記ガスシール部材と接触するように設けられたセパレータと、を備え、
前記ガス拡散層は、前記高分子電解質膜の厚み方向から見た場合に、内方に位置する第１領域と、前記第１領域よりも外方に位置し、前記枠体の内縁と重なるように設けられた第２領域と、を有し、
前記第２領域の透気抵抗度が前記第１領域の透気抵抗度よりも小さくなるように構成されている、高分子電解質形燃料電池。 A polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer provided on the polymer electrolyte membrane;
A frame body provided at a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane and configured to sandwich a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane and a peripheral portion of the catalyst layer;
A gas diffusion layer provided so as to cover the catalyst layer and the frame body such that the outer edge thereof is located outside the inner edge of the frame body as seen from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane;
Provided on the main surface of the frame body so as to be located outside the outer edge of the gas diffusion layer and inside the outer edge of the frame body as seen from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. A gas seal member,
A separator provided so that an inner surface thereof is in contact with the gas diffusion layer and the gas seal member,
When viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, the gas diffusion layer is positioned inwardly of the first region, positioned outward of the first region, and overlaps the inner edge of the frame. A second region provided in
A polymer electrolyte fuel cell configured such that the air resistance in the second region is smaller than the air resistance in the first region. 前記第１領域の透気抵抗度がガーレー秒数で５０秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the air permeability resistance of the first region is 50 seconds or less in Gurley seconds. 前記第１領域の透気抵抗度がガーレー秒数で３０秒以下であることを特徴とする、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。   3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the air permeability resistance of the first region is 30 seconds or less in terms of Gurley seconds. 4. 前記第２領域の透気抵抗度がガーレー秒数で５０秒より大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas permeability resistance of the second region is greater than 50 seconds in Gurley seconds. 前記第２領域の透気抵抗度がガーレー秒数で１００秒以上であることを特徴とする、請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。   5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the gas permeability resistance of the second region is 100 seconds or more in terms of Gurley seconds. 6. 前記第２領域の多孔度が第１領域の多孔度よりも高いことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質形燃料電池。





The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the porosity of the second region is higher than the porosity of the first region.





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