JP7103971B2

JP7103971B2 - Fuel cell and its manufacturing method

Info

Publication number: JP7103971B2
Application number: JP2019027740A
Authority: JP
Inventors: 丈弘麥島; 仁志長▲崎▼; 洸生藤本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: JP2020136065A

Description

本発明は、単位セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a plane-arranged fuel cell in which unit cells are arranged in a plane and a method for manufacturing the same.

燃料電池は、水素と酸素とから電力を得る装置である。発電に伴い水が生成するのみであるためクリーンな電力源として近年注目されている。このような燃料電池の単位セルの電圧は０．６～０．８Ｖ程度と低いため、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とセパレータよりなる単位セルを複数積層して直列に接続し高出力を得る燃料電池スタックが実用化されている。この燃料電池スタックは、積層するに当たり作業工程が多いため手間がかかるという問題がある。 A fuel cell is a device that obtains electric power from hydrogen and oxygen. In recent years, it has been attracting attention as a clean power source because only water is generated by power generation. Since the voltage of the unit cell of such a fuel cell is as low as about 0.6 to 0.8 V, a plurality of unit cells composed of a membrane electrode assembly (MEA) and a separator are laminated and connected in series. A fuel cell stack that obtains high output has been put into practical use. This fuel cell stack has a problem that it takes time and effort because there are many work processes for stacking.

一方、１枚の電解質膜に平面状に複数の単位セルを形成するとともに、隣接する単位セル同士を接続するためのインターコネクタ部を形成し、複数の単位セルを直列に接続した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成では１枚の電解質膜で高電圧化することができ、単位セルを積層する作業の撤廃又は削減が可能といったメリットがある。 On the other hand, a fuel cell in which a plurality of unit cells are formed in a plane on one electrolyte membrane and an interconnector portion for connecting adjacent unit cells is formed and the plurality of unit cells are connected in series is known. (See, for example, Patent Document 1). With such a configuration, it is possible to increase the voltage with a single electrolyte membrane, and there is an advantage that the work of stacking unit cells can be eliminated or reduced.

しかしながら、特許文献１に記載のような燃料電池においては、インターコネクタ部は、電解質膜の一部に空隙部を形成し、その空隙部にアノード触媒層用材料又はカソード触媒層用材料を充填して形成される。このような構成では、インターコネクタ部を形成するに当たり、いくつかの工程を経る必要があり時間と手間がかかるという問題がある。 However, in a fuel cell as described in Patent Document 1, the interconnector portion forms a gap portion in a part of the electrolyte membrane, and the gap portion is filled with a material for an anode catalyst layer or a material for a cathode catalyst layer. Is formed. In such a configuration, there is a problem that it takes time and labor to form the interconnector portion because it is necessary to go through several steps.

そこで、本願発明者らは特許文献２に記載された発明を開発し、インターコネクト部を従来よりも容易に設けられるようにした。また、特許文献２の発明では、インターコネクト部での発熱を抑制又は防止するために、インターコネクト部の第１触媒層をレーザーや刃などで除去することも提案している。 Therefore, the inventors of the present application have developed the invention described in Patent Document 2 so that the interconnect portion can be provided more easily than before. Further, the invention of Patent Document 2 also proposes that the first catalyst layer of the interconnect portion is removed by a laser, a blade, or the like in order to suppress or prevent heat generation in the interconnect portion.

特開２０１１－２０４６０９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-204609 国際公開第２０１７／０４７３４３号International Publication No. 2017/047343

特許文献２の発明のようにインターコネクト部の第１触媒層をレーザーなどで除去すると、第１ガス拡散層と保護層又は電解質膜との間に隙間が発生する虞があり、隙間が形成されていると電気抵抗が増加してしまう。 When the first catalyst layer of the interconnect portion is removed by a laser or the like as in the invention of Patent Document 2, a gap may be generated between the first gas diffusion layer and the protective layer or the electrolyte membrane, and a gap is formed. If so, the electrical resistance will increase.

このため、隙間が形成されないようにインターコネクト部の第１ガス拡散層を電解質膜側に押し付ける構造を採用する必要があり、燃料電池の構造又は製造の簡略化の点で更なる改善の余地があることが分かった。 Therefore, it is necessary to adopt a structure in which the first gas diffusion layer of the interconnect portion is pressed against the electrolyte membrane side so that a gap is not formed, and there is room for further improvement in terms of the structure of the fuel cell or the simplification of manufacturing. It turned out.

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、平面配列型の燃料電池において、構造の簡略化を図ることができる燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell having a simplified structure in a plane-arranged fuel cell and a method for manufacturing the same.

［１］上記目的を達成するため、本発明は、
プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
前記電解質膜の他方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
を有する複数の単位セルを備えた燃料電池であって、
互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
前記電解質膜は、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する他の前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」を備え、
前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成されており、
前記電解質膜と前記インターコネクト部とは前記失活領域を介して接続されていることを特徴とする。 [1] In order to achieve the above object, the present invention
An electrolyte membrane with proton conductivity and
A plurality of first catalyst layers arranged on one surface side of the electrolyte membrane and arranged at intervals from each other.
A plurality of second catalyst layers arranged on the other surface side of the electrolyte membrane and arranged at intervals from each other.
A fuel cell having a plurality of unit cells having a
The electrolyte membranes of the unit cells adjacent to each other are continuous and are composed of one of the electrolyte membranes.
The electrolyte membrane is
An interconnect section that electrically connects the first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of another unit cell adjacent to the unit cell.
In the region of the electrolyte membrane adjacent to the interconnect portion, the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated and the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated,
The first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell are provided with an "overlapping region" in which the electrolyte membrane is sandwiched and overlapped.
The deactivated region is formed at least in the entire overlapping region.
The electrolyte membrane and the interconnect portion are connected via the deactivated region .

本発明によれば、電解質膜には、インターコネクト部の縁の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域が設けられているため、ガス拡散層と電解質膜との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部の発熱を抑制させることができる。従って、隙間が生じないため、インターコネクト部のガス拡散層を電解質膜側へ押圧する押圧力を低く抑えることができ、燃料電池の構造の簡略化を図ることができる。 According to the present invention, since the electrolyte membrane is provided with an inactivated region in which proton conductivity is deactivated in the region at the edge of the interconnect portion, a gap is generated between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane. It is possible to suppress the heat generation of the interconnect portion without causing it. Therefore, since no gap is generated, the pressing force for pressing the gas diffusion layer of the interconnect portion toward the electrolyte membrane side can be suppressed to a low level, and the structure of the fuel cell can be simplified.

また、本発明においては、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」を備え、
前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成されている。 Further, in the present invention,
The first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell are provided with an "overlapping region" in which the electrolyte membrane is sandwiched and overlapped.
The deactivated region is formed at least in the entire overlapping region.

かかる構成によれば、より適切にインターコネクト部での発熱を抑制することができる。 According to such a configuration, heat generation in the interconnect portion can be suppressed more appropriately.

［２］また、本発明においては、
前記失活領域は、
前記重なり領域に加えて、
前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合っていない領域であって、
前記単位セル自身の前記第２触媒層から前記電解質膜が露出した領域に設けられ、
且つ、同一の前記単位セル内における前記第１触媒層と前記第２触媒層との間には設けないように構成することができる。 [ 2 ] Further, in the present invention,
The deactivated area is
In addition to the overlapping area
A region in which the first catalyst layer and the second catalyst layer adjacent to the unit cell do not overlap with each other across the electrolyte membrane.
The unit cell itself is provided in a region where the electrolyte membrane is exposed from the second catalyst layer.
Moreover, it can be configured not to be provided between the first catalyst layer and the second catalyst layer in the same unit cell.

かかる構成によれば、インターコネクト部分を失活領域でしっかりと覆うことができると共に、失活領域を単位セル自身の第２触媒層から電解質膜が露出した領域に設けることができるため、前記露出した領域において、失活領域の形成においてある程度の誤差を許容することができ、製造が容易となる。 According to such a configuration, the interconnect portion can be firmly covered with the deactivated region, and the deactivated region can be provided in the region where the electrolyte membrane is exposed from the second catalyst layer of the unit cell itself. In the region, some error in the formation of the deactivated region can be tolerated, facilitating production.

［３］また、本発明の燃料電池の製造方法は、
プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
を有する複数の単位セルを備えた燃料電池の製造方法であって、
互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
前記電解質膜は、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」を備え、
前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成されており、
前記電解質膜と前記インターコネクト部とは前記失活領域を介して接続されており、
前記燃料電池の製造方法は、
前記電解質膜に、プロトン伝導性を失活させた失活領域を形成する失活工程と、
前記失活領域に前記インターコネクト部を形成するＩＣ形成工程と、
を備えることを特徴とする。 [ 3 ] Further, the method for manufacturing a fuel cell of the present invention is as follows.
An electrolyte membrane with proton conductivity and
A plurality of first catalyst layers arranged on one surface of the electrolyte membrane and spaced apart from each other.
A plurality of second catalyst layers arranged on the other surface of the electrolyte membrane and spaced apart from each other.
It is a method of manufacturing a fuel cell having a plurality of unit cells having the above.
The electrolyte membranes of the unit cells adjacent to each other are continuous and are composed of one of the electrolyte membranes.
The electrolyte membrane is
An interconnect section that electrically connects the first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell.
In the region of the electrolyte membrane adjacent to the interconnect portion, the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated and the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated,
The first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell are provided with an "overlapping region" in which the electrolyte membrane is sandwiched and overlapped.
The deactivated region is formed at least in the entire overlapping region.
The electrolyte membrane and the interconnect portion are connected via the deactivated region.
The method for manufacturing the fuel cell is as follows.
A deactivating step of forming an deactivated region in which proton conductivity is deactivated on the electrolyte membrane, and
An IC forming step of forming the interconnect portion in the deactivated region, and
It is characterized by having.

本発明によれば、電解質膜には、インターコネクト部の縁の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域が設けることができ、ガス拡散層と電解質膜との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部の発熱を抑制させることができる燃料電池を製造することができる。従って、従来のように隙間が生じないため、インターコネクト部のガス拡散層を電解質膜側へ押圧する押圧力を低く抑えることができ、構造の簡略化を図ることができる燃料電池を製造することができる。 According to the present invention, the electrolyte membrane can be provided with an inactivated region in which proton conductivity is deactivated in the region at the edge of the interconnect portion, and a gap is generated between the gas diffusion layer and the electrolyte membrane. It is possible to manufacture a fuel cell capable of suppressing heat generation in the interconnect portion without having to do so. Therefore, since no gap is generated as in the conventional case, it is possible to manufacture a fuel cell in which the pressing force for pressing the gas diffusion layer of the interconnect portion toward the electrolyte membrane side can be suppressed to a low level and the structure can be simplified. can.

［４］また、本発明の燃料電池の製造方法においては、
前記電解質膜は、スルホン酸基含有の炭化水素系膜からなり、
前記失活工程は、前記失活領域に加えて前記インターコネクト部を形成する予定のＩＣ形成予定領域を第１所定温度（例えば、実施形態の４００℃。以下同一。）で加熱処理してスルホン酸基を除去することで失活させて前記失活領域を形成し、
前記ＩＣ形成工程は、前記ＩＣ形成予定領域を前記第１所定温度よりも高温の第２所定温度（例えば、実施形態の９００℃。以下同一。）で前記電解質膜を炭化改質して前記インターコネクト部を形成するように構成することができる。 [ 4 ] Further, in the method for manufacturing a fuel cell of the present invention,
The electrolyte membrane is composed of a hydrocarbon-based membrane containing a sulfonic acid group.
In the deactivation step, in addition to the deactivation region, an IC formation planned region where the interconnect portion is to be formed is heat-treated at a first predetermined temperature (for example, 400 ° C. of the embodiment; the same applies hereinafter) to sulfonic acid. By removing the group, it is deactivated to form the deactivated region,
In the IC forming step, the interconnect is formed by carbonizing and modifying the electrolyte membrane at a second predetermined temperature (for example, 900 ° C. of the embodiment; the same applies hereinafter) which is higher than the first predetermined temperature in the IC formation planned region. It can be configured to form a portion.

本発明によれば、インターコネクト部を形成するときの第２所定温度よりも低温の第１所定温度で失活領域のみならずインターコネクト部を形成する予定のＩＣ形成予定領域も過熱するため、ＩＣ形成予定領域の温度が第１所定温度から第２所定温度へと段階的に上昇して、比較的緩やかに温度が上昇することとなり、適切なインターコネクト部を形成することができる。従って、インターコネクト部と失活領域とを分けて形成する場合に比較して、失活領域とＩＣ形成予定領域の予備過熱とを同時に行うことができ、製造工程の簡略化を図ることができる。 According to the present invention, not only the deactivated region but also the IC formation planned region where the interconnect portion is to be formed is overheated at the first predetermined temperature lower than the second predetermined temperature when the interconnect portion is formed, so that the IC is formed. The temperature of the planned region rises stepwise from the first predetermined temperature to the second predetermined temperature, and the temperature rises relatively slowly, so that an appropriate interconnect portion can be formed. Therefore, as compared with the case where the interconnect portion and the deactivated region are formed separately, the deactivated region and the preheating of the IC formation planned region can be simultaneously performed, and the manufacturing process can be simplified.

本発明を適用した実施形態の燃料電池を示す模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the fuel cell of the embodiment to which this invention is applied. 本実施形態の燃料電池の要部を拡大して示す模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the main part of the fuel cell of this embodiment in an enlarged manner. 芳香族系高分子を加熱する前のＦＴ－ＩＲスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the FT-IR spectrum before heating an aromatic polymer. 芳香族系高分子を加熱した後のＦＴ－ＩＲスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the FT-IR spectrum after heating an aromatic polymer. 芳香族系高分子の加熱前後におけるラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum before and after heating of an aromatic polymer. 水素イオン透過量を測定するために用いた実験装置を模式的に示す説明図。Explanatory drawing schematically showing an experimental apparatus used for measuring a hydrogen ion permeation amount. 焼成温度と水素イオン透過量との関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between the firing temperature and the amount of hydrogen ion permeation. 本実施形態のインターコネクト部及び失活領域を形成するレーザー装置を模式的に示す説明図。The explanatory view which shows typically the laser apparatus which forms the interconnect part and the deactivation region of this embodiment. インターコネクト部を形成するときの理想的な温度変化を示すグラフ。The graph which shows the ideal temperature change when forming an interconnect part.

以下、図面を参照しながら、本発明に実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

＜燃料電池＞
図１は、本発明を適用した燃料電池の一実施形態を示す模式断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す図であり、上側がアノード、下側がカソードである。図１、図２に示す燃料電池１０の膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１は、電解質膜１２の両面側に、ガス拡散層１８を備え、下側には電極層として触媒層１６が、上側には電極層として触媒層１６と電解質膜１２に接する保護層１４が設けられている。すなわち、本実施形態では上側の電極層は触媒層１６と保護層１４の２層で構成されている。さらに、上側のガス拡散層１８の上方には上板２０が設けられ、下側のガス拡散層の下方には下板２２が設けられている。なお、図１においては、中央に位置する積層構造を省略した状態の燃料電池１０を描いている。 <Fuel cell>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a fuel cell to which the present invention is applied, and FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG. 1, in which the upper side is an anode and the lower side is a cathode. The film-electrode junction (MEA) 11 of the fuel cell 10 shown in FIGS. 1 and 2 is provided with a gas diffusion layer 18 on both side surfaces of the electrolyte film 12, and a catalyst layer 16 as an electrode layer is provided on the lower side. Is provided with a protective layer 14 in contact with the catalyst layer 16 and the electrolyte film 12 as an electrode layer. That is, in the present embodiment, the upper electrode layer is composed of two layers, a catalyst layer 16 and a protective layer 14. Further, an upper plate 20 is provided above the upper gas diffusion layer 18, and a lower plate 22 is provided below the lower gas diffusion layer 18. In addition, in FIG. 1, the fuel cell 10 in a state where the laminated structure located in the center is omitted is drawn.

上板２０・下板２２それぞれのガス拡散層１８側の面には水素ガス・酸素含有ガス（空気）のための流路溝（図中の凹部分）が設けられている。電解質膜１２の上面（アノード側）の周縁部と上板２０との間にはシール２４が設けられる。シール２４は電解質膜１２と上板２０とに当接し、上板２０と電解質膜１２と間の空間を密封する。なお上板２０には、図示しない水素供給手段から供給される水素を、上板２０と電解質膜１２との間に導入する、図示しない水素導入口が設けられている。一方、電解質膜１２の下面（カソード側）は上面のように密封されることなく、周囲の空気から酸素を取り入れる構造となっている。 A flow path groove (recessed portion in the figure) for hydrogen gas / oxygen-containing gas (air) is provided on the surface of each of the upper plate 20 and the lower plate 22 on the gas diffusion layer 18 side. A seal 24 is provided between the peripheral edge of the upper surface (anode side) of the electrolyte membrane 12 and the upper plate 20. The seal 24 comes into contact with the electrolyte membrane 12 and the upper plate 20 and seals the space between the upper plate 20 and the electrolyte membrane 12. The upper plate 20 is provided with a hydrogen introduction port (not shown) for introducing hydrogen supplied from a hydrogen supply means (not shown) between the upper plate 20 and the electrolyte membrane 12. On the other hand, the lower surface (cathode side) of the electrolyte membrane 12 is not sealed like the upper surface, but has a structure that takes in oxygen from the surrounding air.

また、電解質膜１２の下面（カソード側）では、ＭＥＡ１１の両端部（図１中左端及び右端）下面のガス拡散層１８と下板２２との間には黒鉛シート２６が配され、黒鉛シート２６はガス拡散層１８に当接するよう構成される。それぞれの黒鉛シート２６には導線２８が接続され、燃料電池１０にて生じた電力は導線２８を通じて外部に取り出されることになる。なお、電解質膜１２と、保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８は、上板２０と下板２２とにより挟持されている。 Further, on the lower surface (cathode side) of the electrolyte membrane 12, a graphite sheet 26 is arranged between the gas diffusion layer 18 and the lower plate 22 on the lower surfaces of both ends (left end and right end in FIG. 1) of the MEA 11, and the graphite sheet 26 is arranged. Is configured to abut the gas diffusion layer 18. A conducting wire 28 is connected to each graphite sheet 26, and the electric power generated by the fuel cell 10 is taken out to the outside through the conducting wire 28. The electrolyte membrane 12, the protective layer 14, the catalyst layer 16, and the gas diffusion layer 18 are sandwiched between the upper plate 20 and the lower plate 22.

電解質膜１２の上面側の保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８、並び電解質膜１２の下面側の触媒層１６、及びガス拡散層１８は分割溝１７により分割され、複数の領域（以下、「電極領域」と呼ぶ。）が形成されている。これら電極領域は、分割溝１７の延伸方向を長辺、２つの分割溝間を短辺とする長方形状である。また、電解質膜１２の上面側における電極領域は、下面側の電極領域と対向するように配置されている。 The protective layer 14, the catalyst layer 16, and the gas diffusion layer 18 on the upper surface side of the electrolyte film 12, the catalyst layer 16 and the gas diffusion layer 18 on the lower surface side of the electrolyte film 12 are divided by the dividing groove 17, and a plurality of regions ( Hereinafter, it is referred to as an “electrode region”). These electrode regions have a rectangular shape with the extending direction of the dividing groove 17 as the long side and the space between the two dividing grooves as the short side. Further, the electrode region on the upper surface side of the electrolyte membrane 12 is arranged so as to face the electrode region on the lower surface side.

ＭＥＡ１１において、電解質膜１２の上面側の一つの電極領域と、この電極領域の一部に対向する下面側における電極領域と、それらの電極領域の間に位置する電解質膜１２とを含む積層構造により単位セル（発電セル）が構成されている。つまり、図１中、電解質膜１２と、電解質膜１２の上面側の保護層１４、触媒層１６、及びガス拡散層１８、並びに下面側の触媒層１６、及びガス拡散層１８からなる積層構造が単位セルである。図１において最も左に位置する単位セルのみを破線Ｌで示す。 The MEA 11 has a laminated structure including one electrode region on the upper surface side of the electrolyte membrane 12, an electrode region on the lower surface side facing a part of the electrode region, and an electrolyte membrane 12 located between the electrode regions. A unit cell (power generation cell) is configured. That is, in FIG. 1, the laminated structure including the electrolyte membrane 12, the protective layer 14 on the upper surface side of the electrolyte membrane 12, the catalyst layer 16, the gas diffusion layer 18, the catalyst layer 16 on the lower surface side, and the gas diffusion layer 18 is formed. It is a unit cell. Only the leftmost unit cell in FIG. 1 is shown by the broken line L.

電解質膜１２の内部には、一つの単位セルの上面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣の単位セルの下面側の電極領域とを電気的に接続するインターコネクト部３０を有する。インターコネクト部３０により、隣接する単位セル同士が電気的に直列接続される。 Inside the electrolyte membrane 12, there is an interconnect portion 30 that electrically connects the electrode region on the upper surface side of one unit cell and the electrode region on the lower surface side of the unit cell adjacent to the one unit cell. The interconnect section 30 electrically connects adjacent unit cells in series.

図１、図２において、各電極領域の幅（２つの分割溝１７の間の長さ。図２の第２領域Ｙ。）は、例えば、約５ｍｍとすることができ、インターコネクト部３０の幅は約０．１ｍｍとすることができ、分割溝１７の幅は０．２ｍｍとすることができる。 In FIGS. 1 and 2, the width of each electrode region (the length between the two dividing grooves 17; the second region Y in FIG. 2) can be, for example, about 5 mm, and the width of the interconnect portion 30. Can be about 0.1 mm, and the width of the dividing groove 17 can be 0.2 mm.

インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分には、プロトン伝導性を失活させた失活領域２１０が設けられている。この失活領域２１０は、電解質膜１２にレーザー光を照射して４００℃で加熱することにより、形成される。 A deactivated region 210 in which proton conductivity is deactivated is provided in the portion of the electrolyte membrane 12 adjacent to the interconnect portion 30. The deactivated region 210 is formed by irradiating the electrolyte membrane 12 with laser light and heating it at 400 ° C.

以上の構成において、アノード側に水素ガスが供給され、カソード側に酸素含有ガス（空気）が供給されることで各単位セルにおいて発電され、２つの黒鉛シート２６に接続した導線２８を通じて電力を取り出すことができる。そして、各単位セルは直列接続されているため、各単位セルの電圧の和が燃料電池１０の電圧となる。 In the above configuration, hydrogen gas is supplied to the anode side and oxygen-containing gas (air) is supplied to the cathode side to generate electricity in each unit cell, and power is taken out through the lead wires 28 connected to the two graphite sheets 26. be able to. Since the unit cells are connected in series, the sum of the voltages of the unit cells is the voltage of the fuel cell 10.

本実施形態の燃料電池１０の構成要素について、以下に詳述する。 The components of the fuel cell 10 of the present embodiment will be described in detail below.

［電解質膜］
本発明の燃料電池における電解質膜に特に限定はなく、種々の電解質膜を採用することができる。そして、上記の通り、電解質膜内に、隣接する単位セル同士を電気的に直列接続するインターコネクト部を備える。インターコネクト部は、後述するように、電解質膜に局所的に熱をかけて炭化することで形成される。 [Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane in the fuel cell of the present invention is not particularly limited, and various electrolyte membranes can be adopted. Then, as described above, an interconnect section for electrically connecting adjacent unit cells in series is provided in the electrolyte membrane. The interconnect portion is formed by locally applying heat to the electrolyte membrane to carbonize it, as will be described later.

電解質膜のプロトン伝導性樹脂としては、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した芳香族系高分子化合物が好ましい。ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂に比べ、炭化によるインターコネクト部の形成が容易にできるからである。理由は定かではないが、芳香族系高分子は分子構造中に炭素の６員環構造を含むため熱分解により黒鉛化しやすいものと考えられる。このような芳香族系高分子は例えば、約９００℃以上で加熱することにより導電性をもつ炭化物に変化する。 As the proton conductive resin of the electrolyte membrane, an aromatic polymer compound in which a sulfonic acid group is introduced into a hydrocarbon polymer such as an aromatic polyarylene ether ketone or an aromatic polyarylene ether sulfone is preferable. This is because the interconnect portion can be easily formed by carbonization as compared with a perfluorosulfonic acid resin such as Nafion (registered trademark). Although the reason is not clear, it is considered that aromatic polymers are easily graphitized by thermal decomposition because they contain a 6-membered ring structure of carbon in their molecular structure. Such an aromatic polymer changes into a conductive carbide by heating at, for example, about 900 ° C. or higher.

［触媒層］
触媒層は、例えば、触媒金属を担持した炭素粒子（触媒粒子）を含んで構成される。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独で又は２種以上組み合わせて使用することができる。 [Catalyst layer]
The catalyst layer is composed of, for example, carbon particles (catalyst particles) carrying a catalyst metal. Carbon black can be used as the carbon particles, but in addition to this, for example, graphite, carbon fibers, activated carbon and the like, crushed products thereof, and carbon compounds such as carbon nanofibers and carbon nanotubes can be used. .. On the other hand, as the catalyst metal, metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum may be used alone or in combination of two or more. Can be used in combination.

触媒層は前記触媒粒子の他、プロトン伝導樹脂を含む。触媒層は水素ガスや酸素含有ガスとの接触面積が大きくなるよう多孔性の構造をとる。そのため、プロトン伝導樹脂の充填密度は後述の保護層よりも小さく設定される。例えば、触媒層に対するプロトン伝導樹脂は３０～５０ｗｔ％とすることができる。 The catalyst layer contains a proton conductive resin in addition to the catalyst particles. The catalyst layer has a porous structure so that the contact area with hydrogen gas or oxygen-containing gas is large. Therefore, the packing density of the proton conductive resin is set to be smaller than that of the protective layer described later. For example, the proton conductive resin with respect to the catalyst layer can be 30 to 50 wt%.

平面配列型の燃料電池１０は、インターコネクト部３０の近傍の一方の面の分割溝（例えば上側の分割溝１７）と他方の面の分割溝（例えば、下側の分割溝１７）に挟まれた領域（第２領域Ｙ。図２中、上側の分割溝１７と下側の分割溝１７に挟まれた領域。）が正味の電力に寄与しないデッドエリアになるが、そのような領域においても触媒と水素あるいは酸素との電気化学反応が生じうる。ところが、インターコネクト部３０により電解質膜１２の両面側の電極層が電気的に接続されているため、生じた電気エネルギーは熱に変化する。すると、燃料電池に過度の発熱を生じさせ、燃料電池の性能が低下する虞がある。 The planar array type fuel cell 10 is sandwiched between a dividing groove on one surface (for example, the upper dividing groove 17) and a dividing groove on the other surface (for example, the lower dividing groove 17) in the vicinity of the interconnect portion 30. The region (second region Y; the region sandwiched between the upper dividing groove 17 and the lower dividing groove 17 in FIG. 2) becomes a dead area that does not contribute to the net power, and the catalyst is also used in such a region. An electrochemical reaction with hydrogen or oxygen can occur. However, since the electrode layers on both sides of the electrolyte membrane 12 are electrically connected by the interconnect portion 30, the generated electrical energy is changed to heat. Then, the fuel cell may generate excessive heat, and the performance of the fuel cell may deteriorate.

そこで、インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分に、レーザー光を照射して４００℃で加熱して失活領域２１０を形成する。失活領域２１０により、プロトン伝導性が抑制され、デッドスペースにおける両触媒層１６の間での反応が生じ難く、もって発熱を抑制することができる。 Therefore, the portion of the electrolyte membrane 12 adjacent to the interconnect portion 30 is irradiated with laser light and heated at 400 ° C. to form the deactivated region 210. The deactivated region 210 suppresses proton conductivity, makes it difficult for a reaction between the two catalyst layers 16 to occur in the dead space, and thus can suppress heat generation.

以下、本実施形態の燃料電池の発電を開始した後の、インターコネクト部近傍の一方の面の分割溝と他方の面の分割溝に挟まれた領域である“デッドスペース”における温度変化を表１に示す。なお表中、燃料電池Ｉは比較例として前記デッドスペースにおいて失活領域２１０が設けられていないものであり、燃料電池IIは本実施形態と同様に前記デッドスペースにおいて失活領域２１０が設けられているものである。 Hereinafter, the temperature change in the “dead space”, which is the region sandwiched between the dividing groove on one surface and the dividing groove on the other surface in the vicinity of the interconnect portion, after the start of power generation of the fuel cell of the present embodiment is shown in Table 1. Shown in. In the table, the fuel cell I is provided with no deactivation region 210 in the dead space as a comparative example, and the fuel cell II is provided with the deactivation region 210 in the dead space as in the present embodiment. It is something that is.

上記表より、触媒層に重なりがある燃料電池Ｉは発電開始後から発熱し温度が上昇する。すなわち、無駄な電気化学反応が生じてしまっている。さらに燃料電池のカソード側が開放されたものであると、この発熱により電解質膜が乾燥してしまい、発電性能が低下する虞がある。一方、触媒層が重なってない燃料電池IIは温度上昇が見られないことが分かる。すなわち、上記の無駄な電気化学反応が抑制され、かつ電解質膜の乾燥も抑制されていることがわかる。 From the above table, the fuel cell I having the catalyst layer overlapped with heat generates heat after the start of power generation, and the temperature rises. That is, a useless electrochemical reaction has occurred. Further, if the cathode side of the fuel cell is open, the electrolyte membrane may be dried due to this heat generation, and the power generation performance may be deteriorated. On the other hand, it can be seen that the temperature of the fuel cell II in which the catalyst layers do not overlap does not rise. That is, it can be seen that the above-mentioned useless electrochemical reaction is suppressed and the drying of the electrolyte membrane is also suppressed.

［保護層］
電解質膜、又は電解質膜内のインターコネクト部若しくはその近傍において、ガスがリークするいわゆるクロスリークを防止するために、電解質膜の一方の面側又は両面側に保護層を設けることが好ましい。図１においては、電解質膜１２の上面側に保護層を設けている。 [Protective layer]
It is preferable to provide a protective layer on one side or both sides of the electrolyte membrane in order to prevent so-called cross-leakage in which gas leaks in or near the electrolyte membrane or the interconnect portion in the electrolyte membrane. In FIG. 1, a protective layer is provided on the upper surface side of the electrolyte membrane 12.

保護層は、クロスリークを防止できるのであればその形態について問わないが、ガスバリア性を備えつつ、さらに電気伝導性及びプロトン伝導性を備えた保護層が好ましい。 The protective layer may be in any form as long as it can prevent cross-leakage, but a protective layer having gas barrier properties and further having electrical conductivity and proton conductivity is preferable.

上記保護層の一形態として、プロトン伝導性樹脂と導電性カーボン（炭素）とから形成することができる。ガスバリア性を高めるため、プロトン伝導性樹脂の充填密度は、触媒層のプロトン伝導性樹脂の充填密度よりも高く設定される。例えば、保護層におけるプロトン伝導性樹脂は７０ｗｔ％以上とすることができる。なお、プロトン伝導性樹脂は触媒層と同じ材料であっても異なる材料であってもよい。 As one form of the protective layer, it can be formed from a proton conductive resin and conductive carbon (carbon). In order to enhance the gas barrier property, the packing density of the proton conductive resin is set higher than the packing density of the proton conductive resin in the catalyst layer. For example, the proton conductive resin in the protective layer can be 70 wt% or more. The proton conductive resin may be the same material as the catalyst layer or a different material.

プロトン伝導性樹脂としては、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸樹脂や前述の芳香族系高分子化合物を用いることができる。 As the proton conductive resin, a perfluorosulfonic acid resin such as Nafion (registered trademark) or the above-mentioned aromatic polymer compound can be used.

導電性カーボンとしては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。 Examples of the conductive carbon include carbon black, acetylene black, and Ketjen black.

上記のような保護層は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのプロトン伝導性樹脂の分散液にケッチェンブラック等の導電性カーボンを添加して調製した塗布液を塗布・乾燥することで形成することができる。なお、保護層の厚みとしては、例えば５～５０μｍとすることができる。 The protective layer as described above is formed by, for example, applying and drying a coating liquid prepared by adding conductive carbon such as Ketjen Black to a dispersion liquid of a proton conductive resin such as Nafion (registered trademark). be able to. The thickness of the protective layer can be, for example, 5 to 50 μm.

［ガス拡散層］
ガス拡散層１８は、基材と、多孔質層とが積層されて構成される。基材は、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。 [Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer 18 is formed by laminating a base material and a porous layer. As the base material, carbon paper or carbon cloth can be used.

［上板、下板］
上板２０及び下板２２は、前述のようにガス拡散層１８側にガスのための流路溝（凹部分）を備える。ＭＥＡ１１の単セル同士はインターコネクト部３０を通して直列に接続されるので、上板２０及び下板２２は絶縁性の樹脂で形成することが好ましい。当該汎用樹脂としては、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等を挙げることができる。 [Upper plate, lower plate]
As described above, the upper plate 20 and the lower plate 22 are provided with a flow path groove (recessed portion) for gas on the gas diffusion layer 18 side. Since the single cells of the MEA 11 are connected in series through the interconnect portion 30, the upper plate 20 and the lower plate 22 are preferably formed of an insulating resin. Examples of the general-purpose resin include polypropylene resin (PP) and polyphenylene sulfide resin (PPS).

＜燃料電池の製造方法＞
本実施形態の燃料電池は、以下に説明する本発明の実施形態の製造方法により製造することができる。 <Fuel cell manufacturing method>
The fuel cell of the present embodiment can be manufactured by the manufacturing method of the embodiment of the present invention described below.

まず、ガス拡散層１８の素材となるカーボンペーパーを準備する。このカーボンペーパーの一面に対し触媒層１６を形成すべく、触媒とプロトン伝導性樹脂を含むインクを塗工する。さらに、触媒層１６の上に保護層１４を形成する場合は、形成した前記触媒層１６の上に導電材（ケッチェンブラックなど）とプロトン伝導性樹脂を含むインクを塗工する。 First, carbon paper as a material for the gas diffusion layer 18 is prepared. Ink containing the catalyst and the proton conductive resin is applied to form the catalyst layer 16 on one surface of the carbon paper. Further, when the protective layer 14 is formed on the catalyst layer 16, an ink containing a conductive material (such as Ketjen black) and a proton conductive resin is applied onto the formed catalyst layer 16.

このように作成したガス拡散層１８と電極層１６、１４の積層体（以下、「拡散電極積層体」という。）について、電極領域間の分割溝１７を形成する。分割溝１７の形成は、針状の刃具を用いて機械的に当該部分のガス拡散層１８・電極層１６，１４を除去する方法やレーザー光を照射し当該部分を蒸発させる方法により行うことができる。 A dividing groove 17 is formed between the electrode regions of the laminated body of the gas diffusion layer 18 and the electrode layers 16 and 14 thus created (hereinafter, referred to as “diffusion electrode laminated body”). The dividing groove 17 can be formed by mechanically removing the gas diffusion layer 18 and the electrode layers 16 and 14 of the portion using a needle-shaped cutting tool, or by irradiating the portion with laser light to evaporate the portion. can.

上記のように分割溝１７を形成した前記拡散電極積層体の上に電解質膜１２を載置する。そして、電解質膜１２のインターコネクト部３０を形成しようとする箇所に対して局所的に熱をかける。その手段としては、レーザー光照射を挙げることができる。使用するレーザー光源としては、例えば、ＣＯ２レーザーを挙げることができる。
図９は、インターコネクト部３０をレーザー光を照射して形成する場合における理想的な温度変化を示したものである。インターコネクト部３０を形成するときには始めは緩やかに温度を上昇させ、ある程度インターコネクト部３０を形成する予定の部分の温度が上昇した後に急速に温度を上昇させてインターコネクト部３０を形成することが好ましい。 The electrolyte membrane 12 is placed on the diffusion electrode laminate having the dividing groove 17 formed as described above. Then, heat is locally applied to the portion of the electrolyte membrane 12 where the interconnect portion 30 is to be formed. As the means, laser light irradiation can be mentioned. Examples of the laser light source used include a CO2 laser.
FIG. 9 shows an ideal temperature change when the interconnect portion 30 is formed by irradiating it with a laser beam. When forming the interconnect portion 30, it is preferable that the temperature is gradually raised at first, and then the temperature of the portion where the interconnect portion 30 is to be formed rises to some extent, and then the temperature is rapidly raised to form the interconnect portion 30.

かかる製法によれば、電解質膜１２を破損することなく適切なインターコネクト部３０を形成することができる。 According to such a manufacturing method, an appropriate interconnect portion 30 can be formed without damaging the electrolyte membrane 12.

また、本実施形態においては、インターコネクト部３０に隣接させて電解質膜１２に失活領域２１０を形成する。そして、失活領域２１０の形成するための加熱温度は４００℃（本実施形態の第１所定温度）であり、インターコネクト部３０を形成するための加熱温度の９００℃（本実施形態の第２所定温度）の半分以下であるため、失活領域２１０を形成すると同時にインターコネクト部３０を形成する予定部分も併せて加熱することで、失活領域２１０とインターコネクト部３０とを別々に製造するよりも製造工程の簡略化を図ることができる。 Further, in the present embodiment, the deactivated region 210 is formed in the electrolyte membrane 12 adjacent to the interconnect portion 30. The heating temperature for forming the deactivated region 210 is 400 ° C. (first predetermined temperature of the present embodiment), and the heating temperature for forming the interconnect portion 30 is 900 ° C. (second predetermined temperature of the present embodiment). Since the temperature is less than half of the temperature), by heating the portion where the deactivated region 210 is formed and the portion where the interconnect portion 30 is planned to be formed at the same time, the deactivated region 210 and the interconnect portion 30 are manufactured rather than separately manufactured. The process can be simplified.

従って、本実施形態の燃料電池１０の製造方法においては、図８に示すように、同一の基台に、失活領域２１０用の第１レーザー照射ヘッド２０１とインターコネクト部３０用の第２レーザー照射ヘッド２０２を設置して、インターコネクト部３０を形成する予定の部分も含んだ状態で第１レーザー照射ヘッド２０１から第１レーザー光２０１ａを照射して、失活領域２１０を形成した後に、インターコネクト部３０を形成する予定の部分に第２レーザー照射ヘッド２０１から第２レーザー光２０２ｂを照射することで、スムーズにインターコネクト部３０と失活領域２１０とを形成することができる。 Therefore, in the method for manufacturing the fuel cell 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 8, the same base is irradiated with the first laser irradiation head 201 for the deactivated region 210 and the second laser irradiation for the interconnect portion 30. After the head 202 is installed and the first laser beam 201a is irradiated from the first laser irradiation head 201 in a state including the portion where the interconnect portion 30 is to be formed to form the deactivated region 210, the interconnect portion 30 is formed. By irradiating the portion to be formed with the second laser beam 202b from the second laser irradiation head 201, the interconnect portion 30 and the deactivated region 210 can be smoothly formed.

上記のようにしてインターコネクト部３０を形成した電解質膜の前記拡散電極積層体とは逆の面側に、さらに他の拡散電極積層体をその電極層１６，１４が電解質膜１２側となるよう載置する。前記他の拡散電極積層体も載置前に分割溝１７が形成されており、該分割溝１７が前記インターコネクト部３０に対し所定の位置となるよう（すなわち、インターコネクト部が当該拡散電極積層体の電極領域で被覆されるよう）、位置あわせして載置される。 Another diffusion electrode laminate is placed on the surface side of the electrolyte membrane on which the interconnect portion 30 is formed as described above, so that the electrode layers 16 and 14 are on the electrolyte membrane 12 side. Place. The other diffusion electrode laminated body also has a dividing groove 17 formed before mounting, so that the dividing groove 17 is at a predetermined position with respect to the interconnect portion 30 (that is, the interconnect portion is the diffusion electrode laminated body. Aligned and placed (so that it is covered by the electrode area).

このように拡散電極積層体・電解質膜・他の拡散電極積層体を重ねた上で、その積層方向にホットプレスを行うことでこれらを一体化させて、ＭＥＡ１１が製造される。 The MEA11 is manufactured by stacking the diffusion electrode laminate, the electrolyte membrane, and other diffusion electrode laminates in this way, and then performing hot pressing in the stacking direction to integrate them.

上記のように、まず触媒層と保護層を積層させ、次いで分割溝を形成する製造方法では、容易に電極領域を形成することができるため、ロール・トゥ・ロールで連続的に製造するのに適している。 As described above, in the manufacturing method in which the catalyst layer and the protective layer are first laminated and then the dividing groove is formed, the electrode region can be easily formed. Are suitable.

ここで、プロトン伝導性樹脂として芳香族系高分子を用いた場合の前記インターコネクト部箇所の前記加熱前と加熱後とにおける、赤外線分光（ＦＴ－ＩＲ）と、ラマン分光の測定結果について示す。図３、図４はそれぞれ加熱前、加熱後のＦＴ－ＩＲスペクトルを示す。加熱前の図３ではプロトン伝導性樹脂中の原子間の結合由来の吸収線が見られるのに対し、加熱後の図４では前記吸収線が消失した。これは加熱によりプロトン伝導樹脂が分解し、炭素質に変化したためと考えられる。 Here, the measurement results of infrared spectroscopy (FT-IR) and Raman spectroscopy of the interconnect portion before and after heating when an aromatic polymer is used as the proton conductive resin are shown. 3 and 4 show FT-IR spectra before and after heating, respectively. In FIG. 3 before heating, an absorption line derived from a bond between atoms in the proton conductive resin can be seen, whereas in FIG. 4 after heating, the absorption line disappeared. It is considered that this is because the proton conductive resin was decomposed by heating and changed to carbonaceous material.

一方、ラマン分光の測定結果では、加熱前にはピークが現れていないものの、加熱後には１３５０ｃｍ^－１付近と１６００ｃｍ^－１付近にピークが出現していることが分かる（図５）。これらは炭素質材料由来のそれぞれＤバンド、Ｇバンドと考えられ、前記加熱により当該箇所が炭素質に変化していると考えられる。
以上のようにプロトン伝導性樹脂を加熱により炭化させることで、当該箇所に対し体積抵抗率が０．１Ω・ｍｍ程度の導電性を容易に付与することができる。 On the other hand, Raman spectroscopy measurement results show that peaks do not appear before heating, but peaks appear around 1350 cm ^-1 and 1600 cm ^-1 after heating (Fig. 5). These are considered to be D band and G band derived from carbonaceous material, respectively, and it is considered that the portion is changed to carbonaceous by the heating.
By carbonizing the proton conductive resin by heating as described above, it is possible to easily impart conductivity having a volume resistivity of about 0.1 Ω · mm to the portion.

本実施形態の燃料電池１０及びその製造方法によれば、インターコネクト部３０の周辺のプロトン伝導性を抑制させるために、従来のように第１触媒層をレーザーや刃などで除去することなく、インターコネクト部３０に隣接する電解質膜１２の部分に、失活領域２１０が設けられている。 According to the fuel cell 10 of the present embodiment and the method for manufacturing the same, in order to suppress the proton conductivity around the interconnect portion 30, the first catalyst layer is not removed by a laser or a blade as in the conventional case, and the interconnect is connected. The deactivation region 210 is provided in the portion of the electrolyte membrane 12 adjacent to the portion 30.

このため、ガス拡散層１８及び触媒層１６と電解質膜１２との間に隙間を発生させることなく、インターコネクト部３０の発熱を抑制させることができる。従って、隙間が生じないため、インターコネクト部３０のガス拡散層１８及び触媒層１６を電解質膜１２側へ押圧する構造を採用する必要がなく、若しくはインターコネクト部３０を炭化させて形成する際に空いた隙間分だけ押圧すればよいため、従来と比べて低い押圧力で済み、燃料電池１０の構造の簡略化を図ることができる。 Therefore, the heat generation of the interconnect portion 30 can be suppressed without generating a gap between the gas diffusion layer 18 and the catalyst layer 16 and the electrolyte membrane 12. Therefore, since no gap is formed, it is not necessary to adopt a structure that presses the gas diffusion layer 18 and the catalyst layer 16 of the interconnect portion 30 toward the electrolyte membrane 12, or it is vacant when the interconnect portion 30 is formed by carbonization. Since it is only necessary to press the gap, the pressing force is lower than that of the conventional one, and the structure of the fuel cell 10 can be simplified.

また、本実施形態の燃料電池１０によれば、保護層１４によって、インターコネクト部３０及びその近傍の電解質膜１２の部分から水素ガスや空気などの漏れを抑制又は防止することができる。 Further, according to the fuel cell 10 of the present embodiment, the protective layer 14 can suppress or prevent leakage of hydrogen gas, air, etc. from the interconnect portion 30 and the portion of the electrolyte membrane 12 in the vicinity thereof.

また、本実施形態の燃料電池１０においては、保護層１４と電解質膜１２の上側の触媒層１６である第１触媒層１６とは、隣接する単位セルＬ同士の隣接方向の幅が同一となるように、設定されている。 Further, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the protective layer 14 and the first catalyst layer 16 which is the catalyst layer 16 on the upper side of the electrolyte membrane 12 have the same width in the adjacent direction between the adjacent unit cells L. Is set up.

かかる構成によれば、保護層１４と第１触媒層１６との幅の相違による段差の発生を防止でき、保護層１４と第１触媒層１６との幅の相違に伴う電解質膜１２と第１ガス拡散層１６との間の隙間の発生を防止することができる。 According to such a configuration, it is possible to prevent the occurrence of a step due to the difference in width between the protective layer 14 and the first catalyst layer 16, and the electrolyte membrane 12 and the first due to the difference in width between the protective layer 14 and the first catalyst layer 16. It is possible to prevent the generation of a gap between the gas diffusion layer 16 and the gas diffusion layer 16.

また、本実施形態の燃料電池１０においては、単位セルＬの第１触媒層１６と、単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの下側の触媒層１６である第２触媒層１６とが、電解質膜１２を挟んで重なり合う「重なり領域Ｙ」（図２参照）を備えており、電解質膜１２の失活領域２１０は、少なくとも重なり領域Ｙにおける電解質膜１２の部分に形成されている。 Further, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the first catalyst layer 16 of the unit cell L and the second catalyst layer 16 which is the lower catalyst layer 16 of the other unit cell L adjacent to the unit cell L are formed. The "overlapping region Y" (see FIG. 2) that overlaps the electrolyte membrane 12 is provided, and the deactivated region 210 of the electrolyte membrane 12 is formed at least in a portion of the electrolyte membrane 12 in the overlapping region Y.

かかる構成によれば、失活領域２１０によって更に適切にインターコネクト部３０での発熱を抑制することができる。 According to such a configuration, the deactivated region 210 can more appropriately suppress heat generation in the interconnect section 30.

また、本実施形態の燃料電池１０においては、失活領域２１０は、重なり領域Ｙに加えて、第１触媒層１６と、一の単位セルＬに隣接する他の単位セルＬの第２触媒層１６とが、電解質膜１２を挟んで重なり合っていない領域であって、前記一の単位セルＬ自身の第２触媒層１６から電解質膜１２が露出した領域（図２における第１領域Ｘから第２領域Ｙを除いた残りの部分の領域）に設けられ（換言すれば第１領域Ｙに設けられ）、且つ、同一の単位セルＬ内における第１触媒層１６と第２触媒層１６との間には設けられていない。 Further, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the deactivated region 210 is the first catalyst layer 16 and the second catalyst layer of another unit cell L adjacent to one unit cell L in addition to the overlapping region Y. Reference numeral 16 denotes a region that does not overlap with the electrolyte membrane 12 in between, and a region in which the electrolyte membrane 12 is exposed from the second catalyst layer 16 of the unit cell L itself (first regions X to second in FIG. 2). Between the first catalyst layer 16 and the second catalyst layer 16 provided in (in other words, the first region Y) and in the same unit cell L (the region of the remaining portion excluding the region Y). Is not provided in.

かかる構成によれば、インターコネクト部３０を失活領域２１０でしっかりと囲うことができると共に、失活領域２１０を露出した領域（第１領域Ｘから第２領域Ｙを除いた残りの部分の領域）に設けることができるため、前記露出した領域において、失活領域２１０の形成において、ある程度の製造誤差を許容することができ、失活領域２１０の形成、ひいては燃料電池１０自体の製造が容易となる。 According to such a configuration, the interconnect portion 30 can be firmly surrounded by the deactivated region 210, and the deactivated region 210 is exposed (the region of the remaining portion excluding the second region Y from the first region X). In the exposed region, a certain degree of manufacturing error can be tolerated in the formation of the deactivated region 210, and the formation of the deactivated region 210 and the production of the fuel cell 10 itself become easy. ..

なお、本実施形態においては、電解質膜１２を４００℃に加熱して失活領域２１０を形成したものを説明したが、本発明の失活領域の形成方法はこれに限らず、電解質膜１２を失活させてプロトン伝導性を抑えることができれば他の方法でもよい。例えば、失活領域２１０を形成する加熱温度は、電解質膜１２の材料や厚さによって適切な温度が変化するものの、実験で用いた電解質膜１２では、４００℃以上９００℃未満が好ましかった。即ち、本発明の第１所定温度は、電解質膜の材質や厚さによって変化するものの、本実施形態での電解質膜１２においては、４００℃でなくてもよく、例えば、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃であってもよい。比較例として、実験では３８３℃でもプロトン伝導性が確認された。また、失活領域をレーザーによる加熱で形成したものを説明したが、失活領域はレーザーによる加熱以外の方法で形成してもよい。 In the present embodiment, the electrolyte membrane 12 is heated to 400 ° C. to form the deactivated region 210, but the method for forming the deactivated region of the present invention is not limited to this, and the electrolyte membrane 12 is formed. Other methods may be used as long as they can be deactivated and the proton conductivity can be suppressed. For example, the heating temperature for forming the deactivated region 210 varies depending on the material and thickness of the electrolyte membrane 12, but the electrolyte membrane 12 used in the experiment was preferably 400 ° C. or higher and lower than 900 ° C. .. That is, although the first predetermined temperature of the present invention varies depending on the material and thickness of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane 12 in the present embodiment does not have to be 400 ° C., for example, 500 ° C., 600 ° C., It may be 700 ° C. or 800 ° C. As a comparative example, in the experiment, proton conductivity was confirmed even at 383 ° C. Further, although the deactivated region is formed by heating with a laser, the deactivated region may be formed by a method other than heating with a laser.

また、電解質膜を加熱すると、電解質膜１２の炭化に伴い厚さが若干薄くなるため、触媒層１６または保護層１４と電解質膜１２との間の隙間ができるだけ発生しないように構成するためには、導電化可能な温度（約９００℃以上）の中で低温な温度が好ましい。 Further, when the electrolyte membrane is heated, the thickness becomes slightly thinner as the electrolyte membrane 12 is carbonized. Therefore, in order to make the structure so that a gap between the catalyst layer 16 or the protective layer 14 and the electrolyte membrane 12 is not generated as much as possible. , A low temperature is preferable among the temperatures at which conductivity is possible (about 900 ° C. or higher).

図６に、加熱温度による電解質膜１２の水素イオン伝導性の変化特性を確認するための実験装置を模式的に示す。図６に示すように、実験装置は、第１貫通孔２３１ａを有する第１ステンレス板２３１と、第２貫通孔２３２ａを有する第２ステンレス板２３２と、で電解質膜１２を挟み込むように配置したものである。第１ステンレス板２３１と電解質膜１２との間には、第１シール部材２３１ｂが設けられ、第１シール部材２３１ｂで第１貫通孔２３１ａから電解質膜１２側に供給される水素が漏れることを防止している。 FIG. 6 schematically shows an experimental device for confirming the change characteristic of the hydrogen ion conductivity of the electrolyte membrane 12 depending on the heating temperature. As shown in FIG. 6, the experimental apparatus is arranged so as to sandwich the electrolyte membrane 12 between the first stainless plate 231 having the first through hole 231a and the second stainless plate 232 having the second through hole 232a. Is. A first seal member 231b is provided between the first stainless steel plate 231 and the electrolyte membrane 12 to prevent hydrogen supplied from the first through hole 231a to the electrolyte membrane 12 side from leaking from the first seal member 231b. is doing.

第２ステンレス板２３２と電解質膜１２との間には、第２シール部材２３２ｂが設けられ、第２シール部材２３２ｂで第２貫通孔２３２ａを介して排出される水素が電解質膜１２と第２ステンレス板２３２との間から漏れることを防止している。 A second seal member 232b is provided between the second stainless steel plate 232 and the electrolyte membrane 12, and hydrogen discharged from the second seal member 232b through the second through hole 232a is discharged from the electrolyte membrane 12 and the second stainless steel. It prevents leakage from between the plate 232 and the plate 232.

第１ステンレス板２３１と電解質膜１２とはプロトン伝導性を備える電極層２３３で電気的に接続されている。また、第２ステンレス板２３２と電解質膜１２とも、プロトン伝導性を備える電極層２３４で電気的に接続されている。 The first stainless steel plate 231 and the electrolyte membrane 12 are electrically connected by an electrode layer 233 having proton conductivity. Further, the second stainless steel plate 232 and the electrolyte membrane 12 are also electrically connected by an electrode layer 234 having proton conductivity.

そして、第１ステンレス板２３１と第２ステンレス板２３２とは電気的に短絡されており、検査対象の電解質膜１２がプロトン伝導性を備えているのであれば、水素イオンが透過し、第１貫通孔２３１ａに接続された容器内の水素量が減少する。 Then, if the first stainless steel plate 231 and the second stainless steel plate 232 are electrically short-circuited and the electrolyte membrane 12 to be inspected has proton conductivity, hydrogen ions permeate and penetrate the first. The amount of hydrogen in the container connected to the hole 231a is reduced.

図７に、図６の実験装置を用いて検査した各電解質膜１２の水素減少量を示す。実線は加熱処理することなくそのままの状態の電解質膜１２の水素減少量を示している。点線は、電解質膜１２を４００℃で焼成したもの、一点鎖線は６００℃で焼成したもの、二点鎖線は８００℃で焼成したものを示している。 FIG. 7 shows the amount of hydrogen reduction in each electrolyte membrane 12 inspected using the experimental apparatus of FIG. The solid line shows the amount of hydrogen reduction in the electrolyte membrane 12 as it is without heat treatment. The dotted line shows the electrolyte membrane 12 fired at 400 ° C., the alternate long and short dash line shows the one fired at 600 ° C., and the two-dot chain line shows the one fired at 800 ° C.

図７から明らかなように、加熱処理をしていない電解質膜１２では、時間と共に水素が減少しているのに対し、他の電解質膜１２の焼成体では時間が経過しても水素が減少していないことが分かる。なお、図７では、点線、一点鎖線、二点鎖線は、ともに０ｃｃを示したものであり、説明の都合上、点線と二点鎖線とを上下にずらしている。 As is clear from FIG. 7, in the electrolyte membrane 12 which has not been heat-treated, hydrogen decreases with time, whereas in the fired body of the other electrolyte membrane 12, hydrogen decreases over time. You can see that it is not. In FIG. 7, the dotted line, the alternate long and short dash line, and the alternate long and short dash line all show 0 cc, and for convenience of explanation, the dotted line and the alternate long and short dash line are shifted up and down.

１０燃料電池
１２電解質膜
１４保護層
１６触媒層
１７分割溝
１８ガス拡散層
２０上板
２２下板
２４シール
２６黒鉛シート
２８導線
３０インターコネクト部
２１０失活領域 10 Fuel cell 12 Electrolyte film 14 Protective layer 16 Catalyst layer 17 Dividing groove 18 Gas diffusion layer 20 Upper plate 22 Lower plate 24 Seal 26 Graphite sheet 28 Lead wire 30 Interconnect part 210 Inactivated area

Claims

プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
前記電解質膜の他方の面側に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
を有する複数の単位セルを備えた燃料電池であって、
互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
前記電解質膜は、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する他の前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」と、
を備え、
前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成されており、
前記電解質膜と前記インターコネクト部とは前記失活領域を介して接続されていることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane with proton conductivity and
A plurality of first catalyst layers arranged on one surface side of the electrolyte membrane and arranged at intervals from each other.
A plurality of second catalyst layers arranged on the other surface side of the electrolyte membrane and arranged at intervals from each other.
A fuel cell having a plurality of unit cells having a
The electrolyte membranes of the unit cells adjacent to each other are continuous and are composed of one of the electrolyte membranes.
The electrolyte membrane is
An interconnect section that electrically connects the first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of another unit cell adjacent to the unit cell.
In the region of the electrolyte membrane adjacent to the interconnect portion, the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated and the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated,
An "overlapping region" in which the first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell overlap with each other across the electrolyte membrane.
With
The deactivated region is formed at least in the entire overlapping region.
A fuel cell characterized in that the electrolyte membrane and the interconnect portion are connected via the deactivated region .

請求項１に記載の燃料電池であって、
前記失活領域は、
前記重なり領域に加えて、
前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合っていない領域であって、
前記単位セル自身の前記第２触媒層から前記電解質膜が露出した領域に設けられ、
且つ、同一の前記単位セル内における前記第１触媒層と前記第２触媒層との間には設けられていないことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 .
The deactivated area is
In addition to the overlapping area
A region in which the first catalyst layer and the second catalyst layer adjacent to the unit cell do not overlap with each other across the electrolyte membrane.
The unit cell itself is provided in a region where the electrolyte membrane is exposed from the second catalyst layer.
Moreover, the fuel cell is not provided between the first catalyst layer and the second catalyst layer in the same unit cell.

プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第１触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置され、且つ互いに間隔を存して配置された複数の第２触媒層と、
を有する複数の単位セルを備えた燃料電池の製造方法であって、
互いに隣接する前記単位セルの前記電解質膜は連続しており且つ１つの前記電解質膜で構成され、
前記電解質膜は、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層と、を電気的に接続するインターコネクト部と、
前記インターコネクト部に隣接する前記電解質膜の領域において、プロトン伝導性を失活させた失活領域と、
前記単位セルの前記第１触媒層と、該単位セルに隣接する前記単位セルの前記第２触媒層とが、前記電解質膜を挟んで重なり合う「重なり領域」を備え、
前記失活領域は、少なくとも前記重なり領域の全体に形成されており、
おり、
前記電解質膜と前記インターコネクト部とは前記失活領域を介して接続されており、
前記燃料電池の製造方法は、
前記電解質膜に、プロトン伝導性を失活させた失活領域を形成する失活工程と、
前記失活領域に前記インターコネクト部を形成するＩＣ形成工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。 An electrolyte membrane with proton conductivity and
A plurality of first catalyst layers arranged on one surface of the electrolyte membrane and spaced apart from each other.
A plurality of second catalyst layers arranged on the other surface of the electrolyte membrane and spaced apart from each other.
It is a method of manufacturing a fuel cell having a plurality of unit cells having the above.
The electrolyte membranes of the unit cells adjacent to each other are continuous and are composed of one of the electrolyte membranes.
The electrolyte membrane is
An interconnect section that electrically connects the first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell.
In the region of the electrolyte membrane adjacent to the interconnect portion, the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated and the deactivated region in which the proton conductivity is deactivated,
The first catalyst layer of the unit cell and the second catalyst layer of the unit cell adjacent to the unit cell are provided with an "overlapping region" in which the electrolyte membrane is sandwiched and overlapped.
The deactivated region is formed at least in the entire overlapping region.
Ori
The electrolyte membrane and the interconnect portion are connected via the deactivated region.
The method for manufacturing the fuel cell is as follows.
A deactivating step of forming an deactivated region in which proton conductivity is deactivated on the electrolyte membrane, and
An IC forming step of forming the interconnect portion in the deactivated region, and
A method for manufacturing a fuel cell, which comprises.

請求項３に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜は、スルホン酸基含有の炭化水素系膜からなり、
前記失活工程は、前記失活領域に加えて前記インターコネクト部を形成する予定のＩＣ形成予定領域を第１所定温度で加熱処理してスルホン酸基を除去することで失活させて前記失活領域を形成し、
前記ＩＣ形成工程は、前記ＩＣ形成予定領域を前記第１所定温度よりも高温の第２所定温度で前記電解質膜を炭化改質して前記インターコネクト部を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to claim 3 .
The electrolyte membrane is composed of a hydrocarbon-based membrane containing a sulfonic acid group.
In the deactivation step, in addition to the deactivation region, the IC formation planned region where the interconnect portion is to be formed is heat-treated at a first predetermined temperature to remove the sulfonic acid group to deactivate the deactivation region. Form an area,
The IC forming step is a manufacture of a fuel cell, wherein the IC formation planned region is carbonized and reformed at a second predetermined temperature higher than the first predetermined temperature to form the interconnect portion. Method.