JP6519490B2 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP6519490B2
JP6519490B2 JP2016009281A JP2016009281A JP6519490B2 JP 6519490 B2 JP6519490 B2 JP 6519490B2 JP 2016009281 A JP2016009281 A JP 2016009281A JP 2016009281 A JP2016009281 A JP 2016009281A JP 6519490 B2 JP6519490 B2 JP 6519490B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
refrigerant
electrode assembly
membrane electrode
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016009281A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017130364A (en
Inventor
亘 大津
亘 大津
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2016009281A priority Critical patent/JP6519490B2/en
Publication of JP2017130364A publication Critical patent/JP2017130364A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6519490B2 publication Critical patent/JP6519490B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池のセパレータは、膜電極接合体側にガス流路を画定しその裏側に冷媒流路を画定する金属製の中央部と、この中央部を囲う樹脂製の枠部とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。枠部には、ガスマニホールド及び冷媒マニホールドが設けられている。また枠部は、膜電極接合体側にガスマニホールド及びガス流路の一方から他方にガスを案内するガス案内流路を画定し、ガス案内流路の裏側に冷媒マニホールド及び冷媒流路の一方から他方に冷媒を案内する冷媒案内流路を画定する。   The fuel cell separator is known to have a metal central portion defining a gas flow channel on the membrane electrode assembly side and a refrigerant flow channel on the back side thereof, and a resin frame portion surrounding the central portion. (See, for example, Patent Document 1). The frame is provided with a gas manifold and a refrigerant manifold. Further, the frame defines a gas guiding channel for guiding the gas from one of the gas manifold and the gas channel to the other on the membrane electrode assembly side, and the other side of the refrigerant manifold and the refrigerant channel on the back side of the gas guiding channel. Define a refrigerant guiding channel for guiding the refrigerant to the

ここで、セパレータの中央部のガス流路及び冷媒流路は、互いに同一方向に延びており、金属板をプレス成型することによって表裏一体に形成されている。このため、セパレータの中央部では厚みが抑制されている。   Here, the gas flow path and the refrigerant flow path in the central portion of the separator extend in the same direction, and are integrally formed on the front and back by press-molding a metal plate. For this reason, the thickness is suppressed at the central portion of the separator.

しかしながら、ガスマニホールド及び冷媒マニホールドは、膜電極接合体の平面方向で異なる位置にあるため、ガス案内流路及び冷媒案内流路は異なる方向に延びている。このため、ガス案内流路及び冷媒案内流路を枠部の厚み方向に間隔を開けて形成する必要があり、枠部のガス案内流路及び冷媒案内流路が設けられている部分は、金属製の中央部よりも厚みが増大している。燃料電池の単セルはこのようなセパレータを一対備え、枠部のガス案内流路が膜電極接合体側を向くようにして一対のセパレータがガス拡散層及び膜電極接合体を挟持している。   However, since the gas manifold and the refrigerant manifold are at different positions in the planar direction of the membrane electrode assembly, the gas guiding flow path and the refrigerant guiding flow path extend in different directions. Therefore, it is necessary to form the gas guiding flow passage and the refrigerant guiding flow passage at intervals in the thickness direction of the frame, and the portion of the frame where the gas guiding flow passage and the refrigerant guiding flow passage are provided is metal The thickness is greater than that of the central part. A unit cell of a fuel cell is provided with a pair of such separators, and the pair of separators sandwich the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly so that the gas guide flow path of the frame portion faces the membrane electrode assembly side.

特開２００６−０３２００８号公報JP, 2006-032008, A

ここで、一対のセパレータの枠部のガス案内流路に挟持される部分にまでガス拡散層がある構成の場合には、燃料電池の厚みが増大する。一方、枠部のガス案内流路に挟持される部分にはガス拡散層を設けない構成とすることにより、燃料電池の厚みは抑制できる。しかしながら、ガス案内流路により膜電極接合体の一部が挟持されると、膜電極接合体はガス案内流路の凸部同士により挟持される部分と、ガス案内流路の少なくとも一方が凹部であり面圧が作用しない部分とが交互に並ぶことになる。このため、このような状態で膜電極接合体が膨潤及び収縮を繰り返すと、膜電極接合体の同一箇所に繰り返し応力が加わり、その部分の耐久性が低下する可能性がある。   Here, in the case of the configuration in which the gas diffusion layer is present in the portion sandwiched by the gas guide flow paths of the frame portions of the pair of separators, the thickness of the fuel cell is increased. On the other hand, the thickness of the fuel cell can be suppressed by not providing the gas diffusion layer in the portion held by the gas guide flow path of the frame portion. However, when a portion of the membrane electrode assembly is sandwiched by the gas guide flow channel, at least one of the portion where the membrane electrode assembly is sandwiched between the convex portions of the gas guide flow channel and the gas guide flow channel is a recess. The parts where the surface pressure does not act are alternately arranged. For this reason, when the membrane electrode assembly repeats swelling and contraction in such a state, stress may be repeatedly applied to the same portion of the membrane electrode assembly, and the durability of the portion may be reduced.

そこで本発明は、厚みの増大を抑制しつつ膜電極接合体の耐久性を確保した燃料電池を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the fuel cell which ensured durability of a membrane electrode assembly, suppressing increase of thickness.

上記目的は、単セルが複数積層された燃料電池において、前記単セルは、電解質膜の両面に触媒層が設けられ、中央部及び前記中央部を囲う外周部を有した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する第１及び第２ガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する金属製の第１及び第２中央部、前記第１及び第２中央部をそれぞれ囲う樹脂製の第１及び第２枠部、をそれぞれ有し、前記第１及び第２ガス拡散層と共に前記膜電極接合体を挟持する第１及び第２セパレータと、を含み、前記第１及び第２枠部は、前記膜電極接合体の前記外周部よりも外側の位置に第１ガス、第２ガス、及び冷媒がそれぞれ流通する第１ガス流通孔、第２ガス流通孔、及び冷媒流通孔を有し、前記第１及び第２中央部は、それぞれ、前記膜電極接合体側で第１及び第２ガス流路を画定し、前記第１及び第２ガス流路のそれぞれの裏側で第１及び第２冷媒流路を画定し、前記第１枠部は、前記膜電極接合体側で前記第１ガス流通孔及び第１ガス流路の一方から他方に前記第１ガスを案内する凹凸状の第１ガス案内流路を画定し、前記第１ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第１冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第１冷媒案内流路を画定し、前記第２枠部は、前記第１枠部と共に前記膜電極接合体の前記外周部の一部を挟持し前記第２ガス流通孔及び第２ガス流路の一方から他方に前記第２ガスを案内する凹凸状の第２ガス案内流路を画定し、及び前記第２ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第２冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第２冷媒案内流路を画定し、前記膜電極接合体の前記外周部は、前記第１及び第２ガス案内流路に挟持される部分の少なくとも一方の面に、前記第１及び第２ガス拡散層のそれぞれよりも薄い多孔質状の補強部材が設けられている、燃料電池によって達成できる。   The above object is a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked, wherein each unit cell is provided with a catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane, and has a central portion and an outer peripheral portion surrounding the central portion. First and second gas diffusion layers positioned so as to sandwich the central portion of the membrane electrode assembly, and first and second metallic layers positioned so as to sandwich the central portion of the membrane electrode assembly It has a second central portion and first and second frame portions made of resin respectively surrounding the first and second central portions, and holds the membrane electrode assembly together with the first and second gas diffusion layers. A first gas, a second gas, and a refrigerant are respectively distributed to positions outside the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly including the first and second separators. A first gas flow hole, a second gas flow hole, and a refrigerant flow hole; The two central portions respectively define first and second gas flow paths on the membrane electrode assembly side, and first and second refrigerant flow paths on the back side of each of the first and second gas flow paths. The first frame portion defines an uneven first gas guide channel for guiding the first gas from one of the first gas flow hole and the first gas channel to the other on the membrane electrode assembly side, and A first refrigerant guiding channel for guiding the refrigerant from one of the refrigerant flow hole and the first refrigerant channel to the other side of the first gas guiding channel is defined on the back side of the first gas guiding channel, and the second frame portion An uneven second gas guide for holding a part of the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly together with a frame and guiding the second gas from one of the second gas flow hole and the second gas flow path to the other A flow path is defined, and one of the refrigerant flow hole and the second refrigerant flow path is formed on the back side of the second gas guiding flow path from the other to the other A second refrigerant guiding channel for guiding the refrigerant is defined, and the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly is disposed on at least one surface of a portion sandwiched by the first and second gas guiding channels. This can be achieved by a fuel cell provided with a porous reinforcing member thinner than each of the first and second gas diffusion layers.

厚みの増大を抑制しつつ膜電極接合体の耐久性を確保した燃料電池を提供できる。   It is possible to provide a fuel cell in which the durability of the membrane electrode assembly is secured while suppressing the increase in thickness.

図１Ａ及び図１Ｂは、燃料電池セルである単セルをそれぞれアノード側及びカソード側から見た図である。FIG. 1A and FIG. 1B are the figures which looked at the unit cell which is a fuel cell from the anode side and the cathode side, respectively. 図２Ａは、図１ＡのＡ−Ａ断面図であり、図２Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。2A is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 1A. 図３Ａは、図１ＡのＣ―Ｃ断面図であり、図３Ｂは比較例の断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line C-C of FIG. 1A, and FIG. 3B is a cross-sectional view of a comparative example. 図４は、第１変形例の単セルの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a single cell of a first modification. 図５Ａは、第２変形例の単セルの断面図であり、図５Ｂは、金属多孔体６０の正面図であり、図５Ｃは、エキスパンド部の拡大斜視図である。FIG. 5A is a cross-sectional view of a unit cell of a second modification, FIG. 5B is a front view of the metal porous body 60, and FIG. 5C is an enlarged perspective view of an expand portion. 図６は、第３変形例の単セルの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a single cell of a third modification.

図１Ａ及び図１Ｂは、燃料電池セルである単セル１をそれぞれアノード側及びカソード側から見た図である。燃料電池は、単セル１が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとしてカソードガスと称される酸化剤ガス（例えば酸素）とアノードガスと称される燃料ガス（例えば水素）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。アノードガス及びカソードガスは、第１及び第２ガスの一例である。   FIG. 1A and FIG. 1B are the figures which looked at the unit cell 1 which is a fuel cell from the anode side and the cathode side, respectively. The fuel cell is configured by stacking a plurality of unit cells 1. This fuel cell is a solid polymer fuel cell that generates electric power by receiving an oxidant gas (for example, oxygen) called cathode gas as a reaction gas and a fuel gas (for example hydrogen) called anode gas. . The anode gas and the cathode gas are examples of the first and second gases.

図２Ａは、図１ＡのＡ−Ａ断面図であり、図２Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。単セル１は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０、アノード側ガス拡散層２２ａ及びカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）、アノード側セパレータ３０ａ及びカソード側セパレータ３０ｃ（以下、セパレータと称する）、及び補強部材５０を含む。   2A is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 1A. The unit cell 1 includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 10, an anode gas diffusion layer 22a and a cathode gas diffusion layer 22c (hereinafter referred to as a diffusion layer), an anode separator 30a and a cathode separator 30c Hereinafter, the separator is referred to as a separator) and a reinforcing member 50.

ＭＥＡ１０は、略矩形状の電解質膜１１と、電解質膜１１の中央部の一方の面（図２Ａ及び図２Ｂにおいて、上側の面）及び他方の面（図２Ａ及び図２Ｂにおいて、下側の面）にそれぞれ形成されたアノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。即ち、触媒層１２ａ及び１２ｃは、電解質膜１１の外周部には形成されていない。触媒層１２ａ及び１２ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜１１に塗布することにより形成される。尚、電解質膜１１の外周部のカソード側の面の一部分に、補強部材５０が設けられている。補強部材５０については詳しくは後述する。   The MEA 10 has a substantially rectangular electrolyte membrane 11 and one surface (upper surface in FIGS. 2A and 2B) and the other surface (lower surfaces in FIGS. 2A and 2B) of the central portion of the electrolyte film 11. And an anode side catalyst layer 12a and a cathode side catalyst layer 12c (hereinafter referred to as a catalyst layer), respectively. That is, the catalyst layers 12 a and 12 c are not formed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11. The catalyst layers 12 a and 12 c are formed, for example, by applying a carbon support carrying platinum (Pt) or the like and an ionomer having proton conductivity to the electrolyte membrane 11. A reinforcing member 50 is provided on part of the surface on the cathode side of the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11. Details of the reinforcing member 50 will be described later.

拡散層２２ａ及び２２ｃは、それぞれ触媒層１２ａ及び１２ｃに接合されている。尚、拡散層２２ａ及び２２ｃのＭＥＡ１０側には、不図示の撥水層が形成されている。拡散層２２ａ及び２２ｃ、及び撥水層は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。撥水層は、拡散層２２ａ及び２２ｃと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さいため、ＭＥＡ１０内の水分を留めて電解質膜１１の乾燥による発電性能の低下を抑制する。   Diffusion layers 22a and 22c are bonded to catalyst layers 12a and 12c, respectively. A water repellent layer (not shown) is formed on the MEA 10 side of the diffusion layers 22a and 22c. The diffusion layers 22a and 22c and the water repellent layer are formed of a member having gas permeability and electron conductivity, and are formed of a porous carbon member such as carbon cloth or carbon paper, for example. Since the water repellent layer has smaller pores in the porous carbon member than the diffusion layers 22a and 22c, the water in the MEA 10 is retained to suppress the decrease in the power generation performance due to the drying of the electrolyte membrane 11.

セパレータ３０ａ及び３０ｃは、拡散層２２ａ及び２２ｃと共にＭＥＡ１０を挟持している。セパレータ３０ａ及び３０ｃは、それぞれ、金属製の中央部３３ａ及び３３ｃ、中央部３３ａ及び３３ｃをそれぞれ囲う樹脂製の枠部３６ａ及び３６ｃを含む。中央部３３ａ及び３３ｃは、それぞれ、図２Ｂに示したように単セル１の短手方向に並んだ凹凸状の複数の溝が単セル１の長手方向に延びた形状であり、それぞれ金属板がプレス加工により複数の溝が形成されている。中央部３３ａ及び３３ｃは、それぞれ拡散層２２ａ及び２２ｃに部分的に接触して電気的に接続するとともに、中央部３３ａ及び拡散層２２ａの間及び中央部３３ｃ及び拡散層２２ｃの間でそれぞれアノードガス及びカソードガスが流通するアノードガス流路３４ａ及びカソードガス流路３４ｃ（以下、ガス流路と称する）が画定される。アノードガス及びカソードガスは、それぞれ第１及び第２ガスの一例である。   The separators 30a and 30c sandwich the MEA 10 together with the diffusion layers 22a and 22c. The separators 30a and 30c respectively include metal center portions 33a and 33c, and resin frame portions 36a and 36c surrounding the center portions 33a and 33c, respectively. As shown in FIG. 2B, the central portions 33a and 33c each have a shape in which a plurality of concavo-convex grooves arranged in the short direction of the unit cell 1 extend in the longitudinal direction of the unit cell 1; A plurality of grooves are formed by press processing. The central portions 33a and 33c are electrically connected to the diffusion layers 22a and 22c in partial contact, respectively, and anode gas between the central portion 33a and the diffusion layer 22a and between the central portion 33c and the diffusion layer 22c, respectively. And an anode gas flow channel 34a and a cathode gas flow channel 34c (hereinafter referred to as gas flow channels) through which the cathode gas flows. The anode gas and the cathode gas are examples of the first and second gases, respectively.

枠部３６ａ及び３６ｃは、それぞれ拡散層２２ａ及び２２ｃを囲うように開口部３７ａ及び３７ｃが形成されている。中央部３３ａ及び３３ｃは、それぞれ開口部３７ａ及び３７ｃを塞ぐように設けられている。詳しくは後述するが、枠部３６ａ及び３６ｃは電解質膜１１の外周部を挟持している。尚、セパレータ３０ａの製造方法は、例えば、金属板をプレス加工して凹凸状の複数の溝が形成された中央部３３ａを製造し、次に中央部３３ａを射出成形型にセットして樹脂を射出成型することにより中央部３３ａ周囲に枠部３６ｃを成形することにより行われる。セパレータ３０ｃの製造方法も同様である。   The frame portions 36a and 36c are formed with openings 37a and 37c so as to surround the diffusion layers 22a and 22c, respectively. The central portions 33a and 33c are provided to close the openings 37a and 37c, respectively. Although described later in detail, the frame portions 36 a and 36 c sandwich the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11. The method of manufacturing the separator 30a is, for example, pressing a metal plate to manufacture the central portion 33a in which a plurality of concavo-convex grooves are formed, and then setting the central portion 33a in an injection mold and resin It is carried out by molding the frame portion 36c around the central portion 33a by injection molding. The manufacturing method of the separator 30c is also the same.

枠部３６ａ及び３６ｃの開口部３７ａ及び３７ｃの外側には、第１ガス連通孔ａ１及びａ２、第２ガス連通孔ｃ１及びｃ２、及び冷媒連通孔ｗ１及びｗ２（以下、孔と称する）が形成されている。セパレータ３０ａ及び３０ｃの一方の短辺側に孔ｃ１、ｗ２、及びａ２が形成され、他方の短辺側に孔ｃ２、ｗ１、及びａ１が形成されている。セパレータ３０ａ及び３０ｃにそれぞれ形成された孔ｃ１は、互いに連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、セパレータ３０ａ及び３０ｃにそれぞれ形成された孔ｃ２、ａ１、ａ２、ｗ１、及びｗ２は、それぞれカソード出口マニホールド、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド、冷媒入口マニホールド、冷媒出口マニホールドを画定する。   First gas communication holes a1 and a2, second gas communication holes c1 and c2, and refrigerant communication holes w1 and w2 (hereinafter referred to as holes) are formed outside the openings 37a and 37c of the frame portions 36a and 36c. It is done. Holes c1, w2 and a2 are formed on one short side of the separators 30a and 30c, and holes c2, w1 and a1 are formed on the other short side. The holes c1 respectively formed in the separators 30a and 30c communicate with each other to define a cathode inlet manifold. Similarly, the holes c2, a1, a2, w1, and w2 formed in the separators 30a and 30c respectively define a cathode outlet manifold, an anode inlet manifold, an anode outlet manifold, a refrigerant inlet manifold, and a refrigerant outlet manifold.

また、枠部３６ａの電解質膜１１側には、アノードガス案内流路ａ１２及びａ２１（以下、案内流路と称する）が画定される。案内流路ａ１２及びａ２１は、中央部３３ａを挟んだ反対側に位置している。案内流路ａ１２は、枠部３６ａに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した電解質膜１１の外周部の一部とにより画定される。案内流路ａ１２を画定する複数の溝は、孔ａ１から開口部３７ａに向けて間隔が徐々に広がるように延びている。案内流路ａ１２は、孔ａ１からガス流路３４ａにアノードガスを案内する。   Further, anode gas guiding flow channels a12 and a21 (hereinafter referred to as guiding flow channels) are defined on the electrolyte membrane 11 side of the frame portion 36a. The guide channels a12 and a21 are located on the opposite side of the central portion 33a. The guide flow channel a12 is defined by a plurality of grooves formed in an uneven shape in the frame portion 36a and a part of the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 facing the plurality of grooves. A plurality of grooves defining the guide flow channel a12 extend so that the distance gradually increases from the hole a1 toward the opening 37a. The guide flow channel a12 guides the anode gas from the hole a1 to the gas flow channel 34a.

同様に、案内流路ａ２１は、枠部３６ａに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した電解質膜１１の外周部の一部とにより画定される。案内流路ａ２１を画定する複数の溝は、開口部３７ａから孔ａ２に向けて間隔が徐々に狭くなるように延びている。案内流路ａ２１は、ガス流路３４ａから孔ａ２にアノードガスを案内する。従ってアノードガスは、案内流路ａ１２により孔ａ１からガス流路３４ａに分配され、案内流路ａ２１によりガス流路３４ａから孔ａ２で合流している。   Similarly, the guide flow passage a21 is defined by a plurality of grooves formed in a concavo-convex shape in the frame 36a and a part of the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 opposed to the plurality of grooves. The plurality of grooves defining the guide flow passage a21 extend from the opening 37a toward the hole a2 so as to be gradually narrowed. The guide flow passage a21 guides the anode gas from the gas flow passage 34a to the hole a2. Accordingly, the anode gas is distributed from the hole a1 to the gas flow path 34a by the guide flow path a12, and joins from the gas flow path 34a to the hole a2 by the guide flow path a21.

また、枠部３６ｃの電解質膜１１側には、カソードガス案内流路ｃ１２及びｃ２１（以下、案内流路と称する）が画定される。案内流路ｃ１２及びｃ２１は、中央部３３ａを挟んだ反対側に位置している。案内流路ｃ１２は、枠部３６ｃに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した補強部材５０とにより画定される。案内流路ｃ１２を画定する複数の溝は、孔ｃ１から開口部３７ｃに向けて間隔が徐々に広がるように延びている。案内流路ｃ１２は、孔ｃ１からガス流路３４ｃにカソードガスを案内する。   Further, cathode gas guiding flow paths c12 and c21 (hereinafter referred to as guiding flow paths) are defined on the electrolyte membrane 11 side of the frame portion 36c. The guide channels c12 and c21 are located on the opposite side of the central portion 33a. The guide flow channel c12 is defined by a plurality of grooves formed in an uneven shape in the frame portion 36c, and a reinforcing member 50 opposed to the plurality of grooves. A plurality of grooves which define the guide channel c12 extend so as to gradually increase the distance from the hole c1 toward the opening 37c. The guide channel c12 guides the cathode gas from the hole c1 to the gas channel 34c.

同様に、案内流路ｃ２１は、枠部３６ｃに凹凸状に形成された複数の溝と、この複数の溝に対向した補強部材５０とにより画定される。案内流路ｃ２１を画定する複数の溝は、開口部３７ｃから孔ｃ２に向けて間隔が徐々に狭くなるように延びている。案内流路ｃ２１は、ガス流路３４ｃから孔ｃ２にカソードガスを案内する。従ってカソードガスは、案内流路ｃ１２により孔ｃ１からガス流路３４ｃに分配され、案内流路ｃ２１によりガス流路３４ｃから孔ｃ２で合流している。   Similarly, the guide flow passage c21 is defined by a plurality of grooves formed in a concavo-convex shape in the frame 36c and a reinforcing member 50 opposed to the plurality of grooves. The plurality of grooves defining the guide channel c21 extend from the opening 37c toward the hole c2 so as to be gradually narrowed. The guide channel c21 guides the cathode gas from the gas channel 34c to the hole c2. Therefore, the cathode gas is distributed from the hole c1 to the gas flow path 34c by the guide flow path c12, and joins from the gas flow path 34c to the hole c2 by the guide flow path c21.

案内流路ａ１２及びｃ２１は、電解質膜１１の外周部の一部及び補強部材５０を介して対向しており、同様に案内流路ａ２１及びｃ１２も電解質膜１１の外周部の一部及び補強部材５０を介して対向している。案内流路ａ１２及びｃ２１は、第１及び第２ガス案内流路の一例であり、同様に案内流路ａ２１及びｃ１２も、第１及び第２ガス案内流路の一例である。詳しくは後述する。   The guide channels a12 and c21 are opposed to each other through a part of the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 and the reinforcing member 50, and similarly, the guide channels a21 and c12 are also a part of the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 and a reinforcing member Facing through 50. The guiding channels a12 and c21 are examples of the first and second gas guiding channels, and similarly, the guiding channels a21 and c12 are also examples of the first and second gas guiding channels. Details will be described later.

ここで、孔ａ１及びｃ１は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、ＭＥＡ１０を介して互いに反対側に位置し、孔ａ２及びｃ２もＭＥＡ１０を介して互いに反対側に位置している。このため、アノードガス及びカソードガスはＭＥＡ１０を挟んで互いに逆方向に流れる。   Here, as shown in FIGS. 1A and 1B, the holes a1 and c1 are opposite to each other through the MEA 10, and the holes a2 and c2 are opposite to each other through the MEA 10. Therefore, the anode gas and the cathode gas flow in opposite directions with the MEA 10 interposed therebetween.

枠部３６ａの案内流路ａ１２及びａ２１の反対側には、それぞれ冷媒案内流路ｗ１２及びｗ２１（以下、案内流路と称する）が画定される。同様に、枠部３６ｃの案内流路ｃ１２及びｃ２１の反対側には、それぞれ冷媒案内流路ｗ２１及びｗ１２（以下、案内流路と称する）が画定される。   On the opposite side of the guide channels a12 and a21 of the frame portion 36a, refrigerant guide channels w12 and w21 (hereinafter referred to as guide channels) are defined. Similarly, on the opposite side of the guide channels c12 and c21 of the frame 36c, refrigerant guide channels w21 and w12 (hereinafter referred to as guide channels) are defined.

ここで、図２Ａ及び図２Ｂにおいては単セル１のみを示しているが、実際には燃料電池は単セル１が複数積層されて構成される。従って、図２Ａ及び図２Ｂに示しているセパレータ３０ａの上方側に、不図示の他の単セルのカソード側セパレータが配置される。これらの間で冷媒が流通する流路が画定され、冷媒は孔ｗ１から案内流路ｗ１２を介して冷媒流路３５ａに流通し、案内流路ｗ２１を介して孔ｗ２へと排出される。同様に、図２Ａ及び図２Ｂに示しているセパレータ３０ｃの下方側に不図示の他の単セルのアノード側セパレータが配置される。従って、冷媒は枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ１２により孔ｗ１から冷媒流路３５ａ及び３６ａに分配され枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ２１により孔ｗ２で合流する。   Here, although only the single cell 1 is shown in FIGS. 2A and 2B, in actuality, the fuel cell is configured by stacking a plurality of single cells 1. Therefore, the cathode side separator of another single cell not shown is arrange | positioned above the separator 30a shown to FIG. 2A and 2B. A flow path through which the refrigerant flows is defined between them, and the refrigerant flows from the hole w1 to the refrigerant flow path 35a via the guide flow path w12, and is discharged to the hole w2 via the guide flow path w21. Similarly, the anode-side separator of another single cell (not shown) is disposed below the separator 30c shown in FIGS. 2A and 2B. Accordingly, the refrigerant is distributed from the hole w1 to the refrigerant flow paths 35a and 36a by the guide flow paths w12 of the frame portions 36a and 36c, and merges at the hole w2 by the guide flow paths w21 of the frame portions 36a and 36c.

尚、枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ１２を画定する凹凸状の複数の溝は、それぞれ、孔ｗ１から開口部３７ａ及び３７ｃに向けて間隔が徐々に広くなるように延びている。枠部３６ａ及び３６ｃの案内流路ｗ２１を画定する凹凸状の複数の溝は、それぞれ開口部３７ａ及び３７ｃから孔２に向けて間隔が徐々に狭くなるように延びている。   The plurality of concavo-convex grooves which define the guide channels w12 of the frame portions 36a and 36c respectively extend so that the distance gradually increases from the hole w1 toward the openings 37a and 37c. A plurality of concavo-convex grooves which define the guide channels w21 of the frame portions 36a and 36c extend from the openings 37a and 37c toward the hole 2 so as to gradually narrow in distance.

図１Ａ及び図２Ａに示すように、枠部３６ａには両側にそれぞれ案内流路ａ２１及びｗ２１が画定されている部分と、案内流路ａ１２及びｗ１２が画定されている部分とがある。また、図１Ａに示すように、案内流路ａ２１及びｗ２１が延びる方向は互いに異なっており、案内流路ａ１２及びｗ１２についても同様である。このため、案内流路ａ２１及びｗ２１をそれぞれ画定する溝は、図２Ａに示すように枠部３６ａの厚み方向に間隔を開けて設けられており、案内流路ａ２１及びｗ２１が画定される部分では、中央部３３ａよりも厚く形成されている。案内流路ａ１２及びｗ１２についても同様である。同様に、枠部３６ｃの案内流路ｃ１２及びｗ２１が画定される部分と、案内流路ｃ２１及びｗ１２が画定される部分とについても、中央部３３ｃよりも厚く形成されている。   As shown in FIGS. 1A and 2A, the frame portion 36a has a portion in which the guide channels a21 and w21 are defined on both sides, and a portion in which the guide channels a12 and w12 are defined. Further, as shown in FIG. 1A, the directions in which the guide channels a21 and w21 extend are different from each other, and the same applies to the guide channels a12 and w12. For this reason, as shown in FIG. 2A, the grooves defining the guide flow paths a21 and w21 are provided at intervals in the thickness direction of the frame 36a, and the portions where the guide flow paths a21 and w21 are defined are provided. , And thicker than the central portion 33a. The same applies to the guide channels a12 and w12. Similarly, the portions of the frame portion 36c in which the guide channels c12 and w21 are defined and the portions in which the guide channels c21 and w12 are defined are formed thicker than the central portion 33c.

図３Ａは、図１ＡのＣ―Ｃ断面図である。図２Ａ及び図３Ａに示すように、電解質膜１１の外周部のうち、案内流路ａ２１及びｃ１２に挟持される部分、及び案内流路ａ１２及びｃ２１に挟持される部分に、多孔質状の補強部材５０が設けられている。補強部材５０は、電解質膜１１の中央部を除く外周部のカソード側の面の一部に設けられており、薄いシート状である。補強部材５０は、案内流路ａ２１及びｃ１２に挟持される部分と、案内流路ａ１２及びｃ２１に挟持される部分とに設けられているが、これに限定されず、例えば拡散層２２ｃの周囲を囲うように枠状であってもよい。補強部材５０は、例えばチタンやステンレス及びカーボンを含む材料により形成された発泡焼結体であるがこれに限定されず、金属製の繊維をメッシュ状に加工したものや、金属板を切り曲げ加工したものであってもよい。   FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 1A. As shown in FIGS. 2A and 3A, in the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11, porous reinforcement is applied to a portion held by the guide channels a21 and c12 and a portion held by the guide channels a12 and c21. A member 50 is provided. The reinforcing member 50 is provided on part of the surface on the cathode side of the outer peripheral portion excluding the central portion of the electrolyte membrane 11, and has a thin sheet shape. The reinforcing member 50 is provided at a portion held by the guide flow paths a21 and c12 and at a portion held between the guide flow paths a12 and c21, but is not limited thereto. For example, the periphery of the diffusion layer 22c It may be frame-like to surround. The reinforcing member 50 is, for example, a foamed sintered body formed of a material containing titanium, stainless steel, and carbon, but is not limited to this. A metal fiber is processed into a mesh shape, or a metal plate is cut and bent. It may be

図３Ｂは、比較例の断面図である。比較例では、補強部材５０は設けられておらず、電解質膜１１は案内流路ａ２１及びｃ１２の凸部同士に直接挟持される部分と、案内流路ａ２１及びｃ１２の少なくとも一方が凹部であり面圧が作用しない部分とが交互に並ぶ。この状態で電解質膜１１が膨潤及び収縮を繰り返すことにより、凸部に挟持された部分は膨潤及び収縮がし難い一方で面圧が作用しない部分だけば膨潤及び収縮を繰り返して、電解質膜１１の所定の個所に繰り返し応力が作用して電解質膜１１の耐久性が低下する恐れがある。案内流路ａ１２及びｃ２１に挟持される電解質膜１１の部分についても同様である。   FIG. 3B is a cross-sectional view of a comparative example. In the comparative example, the reinforcing member 50 is not provided, and the electrolyte membrane 11 has a portion where the convex portions of the guide channels a21 and c12 are directly sandwiched, and at least one of the guide channels a21 and c12 is a concave surface. Portions where pressure does not work are alternately arranged. In this state, the electrolyte membrane 11 repeats swelling and contraction, so that the portion sandwiched between the projections is difficult to swell and shrink, but the swelling and contraction are repeated if only the portion where the surface pressure does not act. There is a risk that the durability of the electrolyte membrane 11 may be reduced due to repeated stress acting on a predetermined location. The same applies to the portion of the electrolyte membrane 11 sandwiched by the guide channels a12 and c21.

本実施例では図２Ａ及び図３Ａに示したように、電解質膜１１は補強部材５０により補強されている。このため、図３Ｂに示すような電解質膜１１の膨潤収縮の繰り返しによる局所での応力集中が緩和され、電解質膜１１の耐久性、即ちＭＥＡ１０の耐久性が確保されている。また、案内流路ａ２１及びｃ１２の間と案内流路ａ１２及びｃ２１の間には、拡散層２２ａ及び２２ｃの何れも存在していない。これにより単セル１の厚みの増大が抑制されている。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 2A and 3A, the electrolyte membrane 11 is reinforced by the reinforcing member 50. Therefore, local stress concentration due to repeated swelling and contraction of the electrolyte membrane 11 as shown in FIG. 3B is alleviated, and the durability of the electrolyte membrane 11, that is, the durability of the MEA 10 is secured. Further, neither of the diffusion layers 22a and 22c exists between the guide channels a21 and c12 and between the guide channels a12 and c21. Thereby, the increase of the thickness of the unit cell 1 is suppressed.

また、補強部材５０は多孔質状であるため、案内流路ａ２１及びｃ１２をそれぞれ流通するアノードガス及びカソードガスとの間で補強部材５０及び電解質膜１１を介して水が透過する。ここで、上述したようにアノードガス及びカソードガスは、ＭＥＡ１０を介して互いに反対方向に流れ、案内流路ａ２１は、案内流路ａ１２よりアノードガスの下流側に位置し、案内流路ｃ１２は、案内流路ｃ２１よりカソードガスの上流側に位置する。ここで、ＭＥＡ１０の発電により生成された水分はアノードガス及びカソードガスの下流側へ流通するため、アノード側及びカソード側に存在する水分量はアノードガス及びカソードガスの下流側で多いが上流側では少なくなる。このため、アノードガス及びカソードガスのそれぞれの上流側で、電解質膜１１の最適な湿潤状態よりも乾燥した状態となる恐れがある。   Further, since the reinforcing member 50 is porous, water permeates through the reinforcing member 50 and the electrolyte membrane 11 between the anode gas and the cathode gas flowing through the guide flow channels a21 and c12, respectively. Here, as described above, the anode gas and the cathode gas flow in the opposite direction to each other through the MEA 10, the guide channel a21 is positioned downstream of the anode channel from the guide channel a12, and the guide channel c12 is It is located upstream of the cathode gas from the guide flow path c21. Here, since the water generated by the power generation of the MEA 10 flows to the downstream side of the anode gas and the cathode gas, the amount of water present on the anode side and the cathode side is large on the downstream side of the anode gas and the cathode gas, but on the upstream side Less. Therefore, there is a risk that the upstream side of the anode gas and the cathode gas will be more dry than the optimum wet state of the electrolyte membrane 11.

しかしながら本実施例では、アノードガスの下流側に位置する案内流路ａ２１とカソードガスの上流側に位置する案内流路ｃ１２とが電解質膜１１と多孔質状の補強部材５０とを介して対向している。これにより、案内流路ａ２１から電解質膜１１及び補強部材５０を介して案内流路ｃ１２への水分の透過を確保することができ、電解質膜１１のカソード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。同様に、案内流路ｃ２１から電解質膜１１及び補強部材５０を介して案内流路ａ１２への水分の透過を確保することができ、電解質膜１１のアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。これにより、ＭＥＡ１０の発電効率の低下が抑制されている。   However, in the present embodiment, the guide channel a21 located downstream of the anode gas and the guide channel c12 located upstream of the cathode gas face the electrolyte membrane 11 via the porous reinforcing member 50. ing. As a result, the permeation of water from the guide channel a21 to the guide channel c12 can be secured through the electrolyte membrane 11 and the reinforcing member 50, and the upstream side of the cathode side of the electrolyte membrane 11 is maintained in the optimum wet state. can do. Similarly, the permeation of water from the guide channel c21 to the guide channel a12 can be secured through the electrolyte membrane 11 and the reinforcing member 50, and the upstream side of the electrolyte membrane 11 on the anode side is maintained in the optimum wet state can do. Thereby, the fall of the power generation efficiency of MEA10 is controlled.

また、上述したように本実施例では、電解質膜１１の外周部であって枠部３６ａ及び３６ｃに挟持される部分には、触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていない。このため、触媒層１２ａ及び１２ｃの面積増大に伴って白金の使用量の増大することが抑制されるため、単セル１の製造コストの増大が抑制されている。   Further, as described above, in the present embodiment, the catalyst layers 12a and 12c are not formed in the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 and in the portion sandwiched by the frame portions 36a and 36c. For this reason, since it is suppressed that the usage-amount of platinum is increased with the area increase of the catalyst layers 12a and 12c, the increase in the manufacturing cost of the single cell 1 is suppressed.

次に、変形例について説明する。図４は、第１変形例の単セル１ａの断面図である。図４は、図２Ａに対応している。尚、上述した実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。   Next, a modification is described. FIG. 4 is a cross-sectional view of a unit cell 1a according to a first modification. FIG. 4 corresponds to FIG. 2A. The same components as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

補強部材５０ａは、電解質膜１１のカソード側のほぼ全面に接着され、拡散層２２ａ及び２２ｃ何れよりも薄いシート状である。補強部材５０ａの基材は、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂とカーボン粒子の細孔層からなり、更にフッ素系イオン交換樹脂と、平均繊維径が１〜３０μｍであるカーボンファイバーが含まれている。ここで補強部材５０ａは、第１実施例における撥水層としても機能するため、カソード拡散層２２ｃに撥水層を備える必要がない。本例においては、アノード側には撥水層の機能を有する補強部材５０ａを備えないため、アノード拡散層２２ａには不図示の撥水層を備える。フッ素系イオン交換樹脂は、電解質膜１１の材料であるイオン交換樹脂との接着性、及び触媒層１２ｃとの接着性が良好であるため、補強部材５０ａとＭＥＡ１０との接着性が確保されている。また、フッ素系イオン交換樹脂にはカーボンファイバーが含まれているため、補強部材５０ａの剛性が確保されている。フッ素系イオン交換樹脂は、多孔質状であるため水分の透過性も確保されている。   The reinforcing member 50a is bonded to almost the entire surface of the electrolyte membrane 11 on the cathode side, and has a sheet shape thinner than any of the diffusion layers 22a and 22c. The base material of the reinforcing member 50a is made of a porous layer of a fluorocarbon resin such as Teflon (registered trademark) and carbon particles, and further contains a fluorocarbon ion exchange resin and a carbon fiber having an average fiber diameter of 1 to 30 μm. ing. Here, since the reinforcing member 50a also functions as a water repellent layer in the first embodiment, it is not necessary to provide the cathode diffusion layer 22c with a water repellent layer. In this example, since the reinforcing member 50a having the function of a water repellent layer is not provided on the anode side, the anode diffusion layer 22a is provided with a water repellent layer (not shown). The adhesion between the reinforcing member 50 a and the MEA 10 is secured because the fluorine-based ion exchange resin has good adhesion to the ion exchange resin that is the material of the electrolyte membrane 11 and adhesion to the catalyst layer 12 c. . Further, since the fluorine-based ion exchange resin contains carbon fiber, the rigidity of the reinforcing member 50a is secured. Since the fluorine-based ion exchange resin is porous, water permeability is also secured.

このように、補強部材５０ａは電解質膜１１のカソード側のほぼ全面に設けられ拡散層２２ａ及び２２ｃ何れよりも薄いため、ＭＥＡ１０の耐久性を確保しつつ単セル１ａの厚みの増大が抑制されている。また、補強部材５０ａは水分の透過性も確保されているため、電解質膜１１のカソード側の上流側及びアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。また、補強部材５０ａにカーボンファイバーが含まれ拡散層２２ｃとＭＥＡ１０との間に設けられているため、拡散層２２ｃのカーボンファイバーが電解質膜１１を貫通することを抑制できる。   As described above, since the reinforcing member 50a is provided on almost the entire cathode side of the electrolyte membrane 11 and thinner than any of the diffusion layers 22a and 22c, an increase in the thickness of the single cell 1a is suppressed while securing the durability of the MEA 10. There is. Further, since the reinforcing member 50a also secures the permeability of water, the upstream side on the cathode side and the upstream side on the anode side of the electrolyte membrane 11 can be maintained in the optimum wet state. In addition, since the reinforcing member 50 a contains carbon fiber and is provided between the diffusion layer 22 c and the MEA 10, penetration of the carbon fiber of the diffusion layer 22 c through the electrolyte membrane 11 can be suppressed.

尚、カーボンファイバーは、例えばＰＡＮ系カーボンファイバー、ピッチ系カーボンファイバー等が挙げられる。カーボンファイバーの形態としては、チュップドファイバー、ミルドファイバー等が挙げられる。また、ＭＥＡ１０と補強部材５０ａとの接着は、例えばホットプレス法等により行われる。   Examples of carbon fibers include PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers. As a form of carbon fiber, a whipped fiber, a milled fiber, etc. are mentioned. The adhesion between the MEA 10 and the reinforcing member 50a is performed by, for example, a hot press method.

また、第１変形例においても、電解質膜１１の外周部には触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていないため、単セル１ａの製造コストの増大が抑制されている。また、電解質膜１１の外周部は触媒層１２ｃを介さずに直接補強部材５０ａに接着されており、電解質膜１１と補強部材５０ａとの接着性が確保されている。   Further, also in the first modified example, the catalyst layers 12a and 12c are not formed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11, so that the increase in the manufacturing cost of the unit cell 1a is suppressed. Further, the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 is directly adhered to the reinforcing member 50a without the catalyst layer 12c, and the adhesiveness between the electrolyte membrane 11 and the reinforcing member 50a is secured.

尚、補強部材５０ａは、電解質膜１１の中央部には設けられておらず、案内流路ａ２１及びｃ１２により挟持される部分、及び案内流路ａ１２及びｃ２１により挟持される部分にのみ設けられていてもよい。これによっても電解質膜１１を補強できるからである。   The reinforcing member 50a is not provided at the central portion of the electrolyte membrane 11, but is provided only at a portion held by the guide flow paths a21 and c12 and at a portion held by the guide flow paths a12 and c21. May be It is because the electrolyte membrane 11 can be reinforced also by this.

図５Ａは、第２変形例の単セル１ｂの断面図である。図５Ａは、図２Ａ及び図４に対応している。第１変形例とは異なり第２変形例では、補強部材５０ａ及び拡散層２２ｃの代わりに撥水シート５０ｂ及び金属多孔体６０が設けられている。また、撥水シート５０ｂは、形状及び大きさは補強部材５０ａと同じであるが、カーボンファイバーが含まれていない。即ち、撥水シート５０ｂは補強部材５０ａと比較して剛性が確保されていない。撥水シート５０ｂは、上述した実施例における撥水層として機能する。電解質膜１１は、撥水シート５０ｂを介して金属多孔体６０と接着している。   FIG. 5A is a cross-sectional view of a unit cell 1b of a second modification. FIG. 5A corresponds to FIGS. 2A and 4. Unlike the first modification, in the second modification, a water repellent sheet 50 b and a metal porous body 60 are provided instead of the reinforcing member 50 a and the diffusion layer 22 c. The water repellent sheet 50b has the same shape and size as the reinforcing member 50a, but does not contain carbon fiber. That is, the rigidity of the water repellent sheet 50b is not secured as compared with the reinforcing member 50a. The water repellent sheet 50b functions as a water repellent layer in the above-described embodiment. The electrolyte membrane 11 is bonded to the metal porous body 60 via the water repellent sheet 50 b.

金属多孔体６０は、導電性を有したステンレス又はチタン等の金属製の多孔質状であり、枠部３６ｃの開口部３７ｃ内に位置したエキスパンド部６２、案内流路ａ２１及びｃ１２の間に位置したパンチング部６１、及び案内流路ａ１２及びｃ２１の間に位置したパンチング部６３、を含む。図５Ｂは、金属多孔体６０の正面図である。エキスパンド部６２は、パンチング部６１及び６３の間に位置し、切り曲げ加工によりパンチング部６１及び６３よりも厚く形成され、拡散層２２ａと略同じ厚みである。パンチング部６１及び６３の厚みは略同じであり、エキスパンド部６２及び拡散層２２ａのそれぞれよりも薄く、パンチングにより複数の孔が形成されている。   The metal porous body 60 is a porous metal made of metal such as stainless steel or titanium having conductivity, and is positioned between the expand portion 62 located in the opening 37 c of the frame 36 c and the guide flow paths a 21 and c 12. And a punching portion 63 positioned between the guide channels a12 and c21. 5B is a front view of the metal porous body 60. FIG. The expanded portion 62 is located between the punching portions 61 and 63, and is formed thicker than the punching portions 61 and 63 by cutting and bending, and has substantially the same thickness as the diffusion layer 22a. The thickness of the punching portions 61 and 63 is substantially the same, is thinner than each of the expanding portion 62 and the diffusion layer 22a, and a plurality of holes are formed by punching.

上述したように撥水シート５０ｂは補強部材５０ａと比較して剛性が確保されていないが、案内流路ａ２１及びｃ１２の間で撥水シート５０ｂにパンチング部６１が接着され、案内流路ａ１２及びｃ２１の間で撥水シート５０ｂにパンチング部６３が接着している。従って、パンチング部６１及び６３により、ＭＥＡ１０の耐久性が確保されている。このように、パンチング部６１及び６３は、補強部材として機能する。また、パンチング部６１及び６３のそれぞれの厚みは、エキスパンド部６２及び拡散層２２ａの何れよりも薄いため、単セル１ｂの厚みの増大が抑制されている。また、パンチング部６１及び６３は多孔質状であるため、電解質膜１１のカソード側の上流側及びアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。   As described above, although the water repellent sheet 50b does not have rigidity as compared with the reinforcing member 50a, the punching portion 61 is adhered to the water repellent sheet 50b between the guide channels a21 and c12, and the guide channels a12 and The punching part 63 adheres to the water repellent sheet 50b between c21. Therefore, the durability of the MEA 10 is secured by the punching portions 61 and 63. Thus, the punching portions 61 and 63 function as reinforcing members. Moreover, since the thickness of each of the punching parts 61 and 63 is thinner than any of the expanded part 62 and the diffusion layer 22a, an increase in thickness of the single cell 1b is suppressed. Further, since the punching portions 61 and 63 are porous, the upstream side on the cathode side and the upstream side on the anode side of the electrolyte membrane 11 can be maintained in the optimum wet state.

図５Ｃは、エキスパンド部６２の拡大斜視図である。エキスパンド部６２は、亀甲型のメッシュが互い違いに配置されており、ＭＥＡ１０側を流れるカソードガスとセパレータ３０ｃ側を流れるカソードガスが互いに連通する孔が複数設けられている。メッシュは、金属板を送りながら金型によって一段ずつ切れ込みを入れる切り曲げ加工により形成される。切り曲げ加工により形成された隙間を通してカソード触媒層にカソードガスが拡散供給される。したがって、エキスパンド部６２は、ガス拡散層として機能する。ここで、金属多孔体６０は、エキスパンド部６２とパンチング部６１及び６３とが一体に形成されているため、ガス拡散層と補強部材との機能を有し、部品点数が削減されている。   FIG. 5C is an enlarged perspective view of the expand portion 62. As shown in FIG. In the expand portion 62, turtle-shell-type meshes are alternately arranged, and a plurality of holes are provided in which the cathode gas flowing on the MEA 10 side and the cathode gas flowing on the separator 30c side communicate with each other. The mesh is formed by cutting and bending a step by step with a mold while feeding a metal plate. The cathode gas is diffused and supplied to the cathode catalyst layer through the gap formed by the cutting and bending process. Therefore, the expand part 62 functions as a gas diffusion layer. Here, the metal porous body 60 has the functions of the gas diffusion layer and the reinforcing member, and the number of parts is reduced because the expand portion 62 and the punching portions 61 and 63 are integrally formed.

尚、金属多孔体６０と撥水シート５０ｂとは、撥水シート５０ｂの基材であるフッ素系イオン交換樹脂により接着されている。例えば金属多孔体６０の接着面はブラスト処理により粗面加工が施され、ホットプレスにより撥水シート５０ｂと接着されている。また、撥水シート５０ｂには電解質アイオノマが含まれているため、金属多孔体６０の接着面をプラズマ処理等の親水化処理が施され、ホットプレスにより撥水シート５０ｂと接着される。また、金属多孔体６０の接着面に親水化処理を施し、アイオノマ溶液を金属多孔体６０の接着面に塗布して、撥水シート５０ｂを貼り付けて乾燥させることにより接着してもよい。   The metal porous body 60 and the water repellent sheet 50b are bonded by a fluorine-based ion exchange resin which is a base material of the water repellent sheet 50b. For example, the bonding surface of the porous metal body 60 is roughened by blasting, and is bonded to the water repellent sheet 50b by hot pressing. Further, since the water repellent sheet 50b contains an electrolyte ionomer, the bonding surface of the porous metal body 60 is subjected to a hydrophilization treatment such as plasma treatment, and is bonded to the water repellent sheet 50b by hot pressing. Alternatively, the bonding surface of the metal porous body 60 may be subjected to a hydrophilization treatment, the ionomer solution may be applied to the bonding surface of the metal porous body 60, and the water repellent sheet 50b may be adhered and dried.

また、第２変形例においても、電解質膜１１の外周部には触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていないため、単セル１ｂの製造コストの増大が抑制されている。また、電解質膜１１の外周部は触媒層１２ｃを介さずに直接撥水シート５０ｂに接着されており、電解質膜１１と撥水シート５０ｂとの接着性が確保されている。   Further, also in the second modified example, the catalyst layers 12a and 12c are not formed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11, so that the increase in the manufacturing cost of the unit cell 1b is suppressed. Further, the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 is directly adhered to the water repellent sheet 50b without interposing the catalyst layer 12c, and the adhesiveness between the electrolyte membrane 11 and the water repellent sheet 50b is secured.

図６は、第３変形例の単セル１ｃの断面図である。尚、図６は、図２Ａ、図４、及び図５Ａに対応している。第３変形例の中央部３３ｃｃは、前述した中央部３３ｃとは異なり、凹凸は形成されていない平板状である。また、金属多孔体６０ｃのエキスパンド部６２ｃは、中央部３３ｃｃに接触しており、中央部３３ｃｃが平板状である分、第２変形例の金属多孔体６０のエキスパンド部６２よりも厚く形成されている。   FIG. 6 is a cross-sectional view of a unit cell 1c of a third modification. 6 corresponds to FIG. 2A, FIG. 4 and FIG. 5A. Unlike the central portion 33c described above, the central portion 33cc of the third modified example is in the form of a flat plate in which unevenness is not formed. The expanded portion 62c of the metal porous body 60c is in contact with the central portion 33cc, and is thicker than the expanded portion 62 of the metal porous body 60 of the second modification because the central portion 33cc is flat. There is.

また、セパレータ３０ｃｃの枠部３６ｃｃには、案内流路ｗ１２及びｗ２１を画定する凹凸状の複数の溝は形成されておらず、上記実施例及び変形例の案内流路ｗ１２及びｗ２１が形成されている部分は平坦である。このため、セパレータ３０ｃｃは、第２変形例のセパレータ３０ｃよりも薄く形成されている。但し、セパレータ３０ａには案内流路ｗ１２及びｗ２１が形成されており、図６では図示していないが図６の単セル１ｃの下方側に積層される不図示の他の単セルのアノード側セパレータの冷媒案内流路と、単セル１ｃのセパレータ３０ｃｃとにより、冷媒が流通する案内流路が画定され、単セル１ｃの中央部３３ｃｃのＭＥＡ１０とは反対側に冷媒流路３５ｃが画定される。また、中央部３３ｃｃのＭＥＡ１０側でありエキスパンド部６２ｃ内でガス流路３４ｃが画定される。   Further, in the frame portion 36cc of the separator 30cc, a plurality of concave and convex grooves for defining the guiding flow channels w12 and w21 are not formed, and the guiding flow channels w12 and w21 of the above embodiment and modification are formed. The part where it is located is flat. For this reason, the separator 30cc is formed thinner than the separator 30c of the second modification. However, guide channels w12 and w21 are formed in the separator 30a, and although not shown in FIG. 6, the anode side separators of other single cells (not shown) stacked under the single cell 1c in FIG. A guide flow passage through which the refrigerant flows is defined by the refrigerant guide flow passage and the separator 30cc of the unit cell 1c, and the refrigerant flow passage 35c is defined on the opposite side of the central portion 33cc of the unit cell 1c to the MEA 10. Further, a gas flow path 34c is defined in the expand portion 62c on the MEA 10 side of the central portion 33cc.

このような構成においても、単セル１ｃの厚みを抑制しつつＭＥＡ１０の耐久性が確保され、電解質膜１１のカソード側の上流側及びアノード側の上流側を最適な湿潤状態に維持することができる。   Even in such a configuration, the durability of the MEA 10 can be ensured while suppressing the thickness of the single cell 1 c, and the upstream side on the cathode side and the upstream side on the anode side of the electrolyte membrane 11 can be maintained in the optimum wet state. .

また、第３変形例において、カソード側のセパレータ３０ｃｃが凹凸状ではなく平板である点、枠部３６ｃｃに第２冷媒流路に相当する溝が設けられていない点が、第２変形例と異なる。ここで、エキスパンド部６２ｃは第２ガス拡散層の機能を兼ね備える。第３変形例においても、電解質膜１１の外周部には触媒層１２ａ及び１２ｃは形成されていないため、単セル１ｃの製造コストの増大が抑制されている。また、電解質膜１１の外周部は触媒層１２ｃを介さずに直接撥水シート５０ｂに接着されており、電解質膜１１と撥水シート５０ｂとの接着性が確保されている。   The third modification is different from the second modification in that the separator 30cc on the cathode side is not uneven but flat, and that the frame 36cc is not provided with a groove corresponding to the second refrigerant flow path. . Here, the expand part 62c has a function of the second gas diffusion layer. Also in the third modification, the catalyst layers 12a and 12c are not formed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11, and therefore, the increase in the manufacturing cost of the unit cell 1c is suppressed. Further, the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 is directly adhered to the water repellent sheet 50b without interposing the catalyst layer 12c, and the adhesiveness between the electrolyte membrane 11 and the water repellent sheet 50b is secured.

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。   Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications may be made within the scope of the subject matter of the present invention described in the claims. Changes are possible.

上記実施例及び変形例において、電解質膜１１の外周部であって枠部３６ａ及び３６ｃに挟持される部分にまで触媒層１２ａ及び１２ｃを形成してもよい。この場合、枠部３６ａ及び３６ｃの触媒層１２ａ及び１２ｃを挟持する部分を、カーボンブラックやグラファイト、又は金属の粉末や繊維が分散された樹脂により製造することにより、導電性を確保して、電解質膜１１の発電可能な面積を確保することもできる。   In the above-described embodiment and modification, the catalyst layers 12a and 12c may be formed up to the outer peripheral portion of the electrolyte membrane 11 and the portion sandwiched by the frame portions 36a and 36c. In this case, the conductivity is ensured by manufacturing the portions of the frame portions 36a and 36c that sandwich the catalyst layers 12a and 12c with carbon black or graphite, or a resin in which metal powder or fibers are dispersed, and the electrolyte is maintained. It is also possible to secure an area capable of generating power of the film 11.

尚、上記実施例及び変形例では、補強部材５０及び５０ａ、パンチング部６１及び６３、金属多孔体６０及び６０ｃはカソード側に設けられているが、アノード側に設けられていてもよい。尚、金属多孔体６０ｃをアノード側に設ける場合、カソード側ではなくアノード側に平板状の中央部を有したセパレータを配置しカソード側には凹凸状の中央部を有したセパレータを配置する必要がある。また、補強部材５０及び５０ａは、カソード側及びアノード側の双方に設けられていてもよい。   Although the reinforcing members 50 and 50a, the punching portions 61 and 63, and the porous metal members 60 and 60c are provided on the cathode side in the above-described embodiment and modification, they may be provided on the anode side. When the porous metal body 60c is provided on the anode side, it is necessary to dispose a separator having a flat central portion on the anode side instead of the cathode side and to dispose a separator having an uneven central portion on the cathode side. is there. The reinforcing members 50 and 50a may be provided on both the cathode side and the anode side.

上記実施例及び変形例では、拡散層２２ａ及び２２ｃの何れも枠部３６ａ及び３６ｃに挟持されないが、拡散層２２ａ及び２２ｃの一方のみが枠部３６ａ及び３６ｃに挟持されてもよい。また、上記実施例及び変形例では、アノードガス及びカソードガスはＭＥＡ１０を挟んで互いに逆方向に流れるが、同一方向に流れる構成であってもよい。   Although neither of the diffusion layers 22a and 22c is sandwiched by the frame portions 36a and 36c in the embodiment and the modification, only one of the diffusion layers 22a and 22c may be sandwiched by the frame portions 36a and 36c. Moreover, in the said Example and modification, although the anode gas and cathode gas flow in the reverse direction mutually on both sides of MEA10, you may be the structure which flows in the same direction.

第２及び第３変形例において、撥水シート５０ｂの代わりに補強部材５０ａを用いてもよい。   In the second and third modifications, a reinforcing member 50a may be used instead of the water repellent sheet 50b.

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 単セル
１０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１ 電解質膜
１２ａ アノード側触媒層（触媒層）
１２ｃ カソード側触媒層（触媒層）
２２ａ アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）
２２ｃ カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）
３０ａ アノード側セパレータ（第１セパレータ）
３０ｃ カソード側セパレータ（第２セパレータ）
３３ａ、３３ｃ 中央部（第１及び第２中央部）
３４ａ アノードガス流路
３４ｃ カソードガス流路
３５ａ、３５ｃ 冷媒流路
３６ａ、３６ｃ 枠部（第１及び第２枠部）
５０、５０ａ 補強部材
５０ｂ 撥水シート
６０、６０ｃ 金属多孔体
６１、６３ パンチング部
６２ エキスパンド部
ａ１、ａ２ アノードガス連通孔
ｃ１、ｃ２ カソードガス連通孔
ｗ１、ｗ２ 冷媒連通孔
ａ１２、ａ２１、ｃ１２、ｃ２１ ガス案内流路
ｗ１２、ｗ２１ 冷媒案内流路 1, 1a, 1b, 1c Single cell 10 membrane electrode assembly (MEA)
11 Electrolyte membrane 12a Anode side catalyst layer (catalyst layer)
12c cathode side catalyst layer (catalyst layer)
22a Anode side gas diffusion layer (gas diffusion layer)
22c Cathode side gas diffusion layer (gas diffusion layer)
30a Anode side separator (first separator)
30c cathode side separator (second separator)
33a, 33c central part (first and second central parts)
34a anode gas flow path 34c cathode gas flow path 35a, 35c refrigerant flow path 36a, 36c frame portion (first and second frame portions)
50, 50a Reinforcing member 50b Water-repellent sheet 60, 60c Metal porous body 61, 63 Punching portion 62 Expanding portion a1, a2 Anode gas communication hole c1, c2 Cathode gas communication hole w1, w2 Gas guiding channel w12, w21 Refrigerant guiding channel

Claims (1)

単セルが複数積層された燃料電池において、
前記単セルは、
電解質膜の両面に触媒層が設けられ、中央部及び前記中央部を囲う外周部を有した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する第１及び第２ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の前記中央部を間に挟むように位置する金属製の第１及び第２中央部、前記第１及び第２中央部をそれぞれ囲う樹脂製の第１及び第２枠部、をそれぞれ有し、前記第１及び第２ガス拡散層と共に前記膜電極接合体を挟持する第１及び第２セパレータと、を含み、
前記第１及び第２枠部は、前記膜電極接合体の前記外周部よりも外側の位置に第１ガス、第２ガス、及び冷媒がそれぞれ流通する第１ガス流通孔、第２ガス流通孔、及び冷媒流通孔を有し、
前記第１及び第２中央部は、それぞれ、前記膜電極接合体側で第１及び第２ガス流路を画定し、前記第１及び第２ガス流路のそれぞれの裏側で第１及び第２冷媒流路を画定し、
前記第１枠部は、前記膜電極接合体側で前記第１ガス流通孔及び第１ガス流路の一方から他方に前記第１ガスを案内する凹凸状の第１ガス案内流路を画定し、前記第１ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第１冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第１冷媒案内流路を画定し、
前記第２枠部は、前記第１枠部と共に前記膜電極接合体の前記外周部の一部を挟持し前記第２ガス流通孔及び第２ガス流路の一方から他方に前記第２ガスを案内する凹凸状の第２ガス案内流路を画定し、及び前記第２ガス案内流路の裏側で前記冷媒流通孔及び第２冷媒流路の一方から他方に前記冷媒を案内する第２冷媒案内流路を画定し、
前記膜電極接合体の前記外周部は、前記第１及び第２ガス案内流路に挟持される部分の少なくとも一方の面に、前記第１及び第２ガス拡散層のそれぞれよりも薄い多孔質状の補強部材が設けられている、燃料電池。 In a fuel cell in which a plurality of single cells are stacked,
The single cell is
A membrane electrode assembly provided with catalyst layers on both sides of an electrolyte membrane, and having a central portion and an outer peripheral portion surrounding the central portion;
First and second gas diffusion layers positioned so as to sandwich the central portion of the membrane electrode assembly;
First and second metal central portions positioned so as to sandwich the central portion of the membrane electrode assembly, and first and second resin frame portions respectively surrounding the first and second central portions; And the first and second separators sandwiching the membrane electrode assembly together with the first and second gas diffusion layers,
The first and second frame portions are a first gas flow hole and a second gas flow hole through which a first gas, a second gas, and a refrigerant flow, respectively, at a position outside the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly. , And having a refrigerant flow hole,
The first and second central portions respectively define first and second gas flow paths on the membrane electrode assembly side, and first and second refrigerants on the back sides of the first and second gas flow paths, respectively. Define a flow path,
The first frame portion defines an uneven first gas guiding channel for guiding the first gas from one of the first gas circulating hole and the first gas channel to the other on the membrane electrode assembly side, A first refrigerant guiding channel for guiding the refrigerant from one of the refrigerant flow hole and the first refrigerant channel to the other is defined on the back side of the first gas guiding channel,
The second frame portion sandwiches a part of the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly together with the first frame portion, and transmits the second gas from one of the second gas flow hole and the second gas flow path to the other. A second refrigerant guide, which defines an uneven second gas guiding channel to be guided, and guides the refrigerant from one of the refrigerant flow hole and the second refrigerant channel to the other on the back side of the second gas guiding channel Define a flow path,
The outer peripheral portion of the membrane electrode assembly is porous on each of at least one surface of a portion sandwiched by the first and second gas guide channels, which is thinner than each of the first and second gas diffusion layers. A fuel cell provided with a reinforcement member.
JP2016009281A 2016-01-20 2016-01-20 Fuel cell Active JP6519490B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016009281A JP6519490B2 (en) 2016-01-20 2016-01-20 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016009281A JP6519490B2 (en) 2016-01-20 2016-01-20 Fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017130364A JP2017130364A (en) 2017-07-27
JP6519490B2 true JP6519490B2 (en) 2019-05-29

Family

ID=59394917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016009281A Active JP6519490B2 (en) 2016-01-20 2016-01-20 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6519490B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7052418B2 (en) 2018-03-01 2022-04-12 トヨタ自動車株式会社 Gas diffusion layer
CN111785987A (en) * 2020-07-29 2020-10-16 杭州祥博传热科技股份有限公司 Flow field type heat sink for bipolar plate

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4085857B2 (en) * 2003-03-25 2008-05-14 日産自動車株式会社 Fuel cell separator and fuel cell laminate
JP2006032008A (en) * 2004-07-13 2006-02-02 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
JP5366469B2 (en) * 2008-08-04 2013-12-11 本田技研工業株式会社 Electrolyte membrane / electrode structure
JP5585427B2 (en) * 2010-12-08 2014-09-10 トヨタ自動車株式会社 Membrane electrode assembly and fuel cell using the same
JP2013020723A (en) * 2011-07-07 2013-01-31 Honda Motor Co Ltd Fuel cell and membrane electrode assembly
JP2013258097A (en) * 2012-06-14 2013-12-26 Honda Motor Co Ltd Electrolyte membrane/electrode structure and manufacturing method thereof
JP5907057B2 (en) * 2012-12-17 2016-04-20 トヨタ自動車株式会社 ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR PRODUCING ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL
JP6170868B2 (en) * 2014-04-21 2017-07-26 本田技研工業株式会社 Fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017130364A (en) 2017-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6958523B2 (en) Fuel cell
JP6656999B2 (en) Porous separator for fuel cell
KR101886492B1 (en) Fuel cell stack and fuel cell stack manufacturing method
US10826097B2 (en) Fuel cell
JP5144226B2 (en) Fuel cell
JP6519490B2 (en) Fuel cell
JP2016146313A (en) Bipolar plate and direct methanol fuel cell
JP2005190795A (en) Fuel cell
US10826084B2 (en) Fuel cell
JP2011222393A (en) Fuel cell
JP6027107B2 (en) Fuel cell
JP2008293743A (en) Fuel cell
JP2007250432A (en) Fuel cell
JP2017147134A (en) Fuel battery cell
JP5809594B2 (en) Fuel cell
JP4381857B2 (en) Fuel cell
JP7120178B2 (en) Separator for fuel cell
JP7480662B2 (en) Fuel cell separators
JP5591392B2 (en) Fuel cell electrolyte / electrode structure and fuel cell
JP2008204704A (en) Fuel cell, its manufacturing method, and laminate member for fuel cell
JP7383463B2 (en) Fuel cell
JP7101393B2 (en) Gas diffusion unit, fuel cell
JP5133536B2 (en) Fuel cell
JP2023054466A (en) Fuel cell separator, fuel cell stack, and method for manufacturing fuel cell separator
JP2006310220A (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180320

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190326

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190408

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6519490

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151