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JP2010123350A - Fuel battery - Google Patents

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JP2010123350A
JP2010123350A JP2008294830A JP2008294830A JP2010123350A JP 2010123350 A JP2010123350 A JP 2010123350A JP 2008294830 A JP2008294830 A JP 2008294830A JP 2008294830 A JP2008294830 A JP 2008294830A JP 2010123350 A JP2010123350 A JP 2010123350A
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JP
Japan
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diffusion layer
fuel cell
base material
layer
porous body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2008294830A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daiyu Yoshikawa
大雄 吉川
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
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら、拡散層基材や集電層に多孔体の端面エッジが突き刺さるのを効果的に抑止することができ、もってクロスリーク耐久性に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体3と、これを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層4,4と、から電極体10が形成され、ガス流路層を形成する多孔体(エキスパンドメタル5)とセパレータ7が該電極体10を挟持して燃料電池セル100を成し、該燃料電池セル100が積層されて形成される燃料電池において、ガス拡散層4は、膜電極接合体3を構成する触媒層2と当接する集電層42と該集電層42を包囲する拡散層基材41とから形成されており、拡散層基材41のうち、エキスパンドメタル5の端面の複数のエッジ51aと当接する箇所には、エキスパンドメタル5側に突出する突起41aが形成されている。
【選択図】図1
An object of the present invention is to effectively prevent the end face edge of a porous body from sticking into a diffusion layer base material or a current collecting layer while maintaining a compressive force during stacking at a desired value, thereby improving cross leak durability. An excellent fuel cell is provided.
A porous body (expanded metal 5) in which an electrode body 10 is formed from a membrane electrode assembly 3 and gas diffusion layers 4 and 4 on an anode side and a cathode side sandwiching the membrane electrode assembly 3 to form a gas flow path layer. And the separator 7 sandwich the electrode body 10 to form a fuel cell 100. In the fuel cell formed by stacking the fuel cell 100, the gas diffusion layer 4 constitutes the membrane electrode assembly 3. A diffusion layer base material 41 surrounding the current collection layer 42 and a plurality of edges 51a on the end face of the expanded metal 5 of the diffusion layer base material 41. A protrusion 41 a that protrudes toward the expanded metal 5 is formed at a location where the contact is made.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は燃料電池に係り、特に、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などの多孔体をガス流路層として備える燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell including a porous body such as an expanded metal or a metal foam sintered body as a gas flow path layer.

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層(電極層)とから膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を形成し、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのアノード側およびカソード側のガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が挟持して電極体(MEGA)を形成し、この電極体を直線状もしくは蛇行状のガス流路溝が一体に形成されたセパレータが挟持して構成されている。なお、このセパレータには、ガス流路層をたとえば特許文献1で開示されるようなエキスパンドメタルや金属発泡焼結体から形成してセパレータから分離させた、いわゆるフラットタイプ型のセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの燃料電池セルを所定数積層することによって形成されている。   A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer (electrode layer) sandwiching the electrolyte membrane. Gas diffusion layers (GDL: Gas Diffusion Layer) for collecting electricity generated by electrochemical reaction while providing fuel gas or oxidant gas to the membrane electrode assembly Is sandwiched to form an electrode body (MEGA), and this electrode body is configured by sandwiching a separator in which linear or meandering gas flow channel grooves are integrally formed. As this separator, there is also a so-called flat type separator in which the gas flow path layer is formed from, for example, an expanded metal or a metal foam sintered body disclosed in Patent Document 1 and separated from the separator. The fuel cell stack is formed by stacking a predetermined number of the fuel cells according to required power.

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

燃料電池の組み付けにおいては、所定数の燃料電池セルを積層し、この両側端からテンションプレートを介して所与の圧縮力が付与されてスタッキングがおこなわれる。この圧縮力は、燃料電池セルの構成部材間(セパレータとガス拡散層の間や、ガス拡散層と膜電極接合体の間など)の界面の密着性を高め、もって界面における接触抵抗を可及的に低減させるようにその大きさが調整されている。さらには、燃料電池の使用環境(高負荷発電時の高温環境では構成部材が膨張したりガス圧が増加する、など)によって構成部材界面での相対的な圧縮力は変化するし、発電経過にともなう構成部材の厚み低減にともなって相対的な圧縮力が変化することなどから、これらを加味してスタッキング所期の圧縮力が設定されている。   In assembling the fuel cell, a predetermined number of fuel cells are stacked and stacking is performed by applying a given compressive force from both side ends via tension plates. This compressive force enhances the adhesion at the interface between the constituent members of the fuel cell (such as between the separator and the gas diffusion layer, or between the gas diffusion layer and the membrane electrode assembly), thereby enabling contact resistance at the interface. The size is adjusted so as to reduce it. Furthermore, the relative compressive force at the component interface changes depending on the usage environment of the fuel cell (for example, the component member expands or the gas pressure increases in a high temperature environment during high load power generation). Since the relative compressive force changes with the thickness reduction of the accompanying component, the compressive force desired for stacking is set in consideration of these factors.

スタッキング時に上記圧縮力が各燃料電池セルに作用すると、その構成部材であるセパレータや多孔体からなるガス流路層を介してガス拡散層に圧縮力が伝達される。   When the compressive force is applied to each fuel cell during stacking, the compressive force is transmitted to the gas diffusion layer through the gas flow path layer made of a separator or a porous body that is a constituent member thereof.

ガス流路層を形成する多孔体としては上記するエキスパンドメタルや金属発泡焼結体があるが、たとえばエキスパンドメタルからなるガス流路層を有する燃料電池セルにおいては、上記する圧縮力がエキスパンドメタルの電極体側のエッジからガス拡散層へ集中的に作用することは理解に易い。これを燃料電池セルのカソード側の構造を図示した図3を参照して説明する。図示する燃料電池セルは、電解質膜a1とカソード側およびアノード側の触媒層a2とから膜電極接合体aが形成され、これを拡散層基材b1と集電層b2(MPL)とからなるカソード側およびアノード側のガス拡散層bが挟持して電極体cを形成し、ガス拡散層bにガス流路層となるエキスパンドメタルeが当接し、エキスパンドメタルeにたとえば3層構造のフラットタイプセパレータfが当接して燃料電池セルが構成されている。なお、一般には、電解質膜a1のうち、触媒層a2で被覆されていない周縁の露出領域には、拡散層基材b1との間に保護フィルムdが介層されており、これが拡散層基材d1から突出する毛羽が電解質膜a1に突き刺さるのを効果的に防護している。また、燃料電池セルのうち、触媒層a2や集電層b2が存在する領域を発電領域(図中のA1領域で、発電に直接的に寄与する領域)、その外周の領域を非発電領域(図中のA2領域)とそれぞれ称呼することができる。   As the porous body forming the gas flow path layer, there are the expanded metal and the metal foam sintered body described above. For example, in a fuel cell having a gas flow path layer made of expanded metal, the above compressive force is the expanded metal. It is easy to understand that the effect is concentrated on the gas diffusion layer from the edge on the electrode body side. This will be described with reference to FIG. 3 illustrating the structure of the fuel cell on the cathode side. In the illustrated fuel cell, a membrane electrode assembly a is formed from an electrolyte membrane a1 and a cathode-side and anode-side catalyst layer a2, and this is formed into a cathode comprising a diffusion layer base material b1 and a current collecting layer b2 (MPL). An electrode body c is formed by sandwiching the gas diffusion layer b on the side and the anode side, an expanded metal e serving as a gas flow path layer contacts the gas diffusion layer b, and a flat type separator having a three-layer structure, for example, The fuel cell is constituted by contact of f. In general, a protective film d is interposed between the diffusion layer substrate b1 and an exposed region of the peripheral edge of the electrolyte membrane a1 that is not covered with the catalyst layer a2, and this is the diffusion layer substrate. It effectively protects the fluff protruding from d1 from piercing the electrolyte membrane a1. Further, in the fuel cell, a region where the catalyst layer a2 and the current collecting layer b2 are present is a power generation region (A1 region in the figure, which directly contributes to power generation), and an outer peripheral region thereof is a non-power generation region ( These can be referred to as A2 areas in the figure).

図示する燃料電池セルが所定数積層され、スタッキングされた際には、各燃料電池セルにスタッキング時の圧縮力P(締結力)がセパレータfを介してエキスパンドメタルeおよび電極体cに作用することとなる。ここで、エキスパンドメタルeのうち、拡散層基材b1と当接する側面においては、図示するように多数のエッジが拡散層基材側に突出しており、上記する圧縮力Pは、これらのエッジを介して集中的に拡散層基材b1を押圧し(集中荷重P1)、場合によってはこの圧縮力Pにてエッジが拡散層基材b1を突き刺して拡散層基材b1内に埋め込まれた状態となってしまう。これらのエッジの突き刺さりにより、場合によっては拡散層基材b1が座屈してしまい、その破損に至ることもあり得る。また、エキスパンドメタルeのエッジが拡散層基材b1に突き刺さると、エッジを介して集中荷重が突き刺さり部位に作用し続けるため、突き刺さりに起因する亀裂が進展してガスのクロスリーク路を形成する可能性も生じてくる。   When a predetermined number of illustrated fuel cells are stacked and stacked, a compression force P (fastening force) at the time of stacking acts on the expanded metal e and the electrode body c via the separator f. It becomes. Here, in the expanded metal e, on the side surface that comes into contact with the diffusion layer base material b1, a large number of edges protrude toward the diffusion layer base material side as shown in the figure, and the compressive force P described above applies these edges. The diffusion layer base material b1 is pressed in a concentrated manner (concentrated load P1), and in some cases, the edge pierces the diffusion layer base material b1 with the compressive force P and is embedded in the diffusion layer base material b1. turn into. Due to the piercing of these edges, in some cases, the diffusion layer base material b1 may buckle and may be damaged. Further, when the edge of the expanded metal e pierces the diffusion layer base material b1, the concentrated load continues to act on the pierced portion through the edge, so that the crack caused by the piercing progresses and a gas cross leak path can be formed. Sex also arises.

ところで、図示する非発電領域A2では、比較的高剛性の保護フィルムdが電解質膜a1と拡散層基材b1の間に介在していることで、上記するエキスパンドメタルeが拡散層基材b1に突き刺さった場合でもガスのクロスリーク路の形成までには至らない。なお、図示のように保護フィルムdを具備しない他のセル構造形態、たとえば、電極体の周縁に形成される不図示の樹脂製ガスケット用の樹脂材が図中の保護フィルムの介在部位に含浸して、図示の保護フィルムのごとき保護層を形成するセル構造の場合でも同様である。   By the way, in the non-power generation region A2 shown in the drawing, the relatively high rigidity protective film d is interposed between the electrolyte membrane a1 and the diffusion layer base material b1, so that the expanded metal e described above is applied to the diffusion layer base material b1. Even when pierced, it does not lead to the formation of a gas cross leak path. In addition, as shown in the figure, other cell structure forms that do not include the protective film d, for example, a resin material for a resin gasket (not shown) formed on the periphery of the electrode body impregnates the interposed portion of the protective film in the figure. The same applies to a cell structure in which a protective layer such as the illustrated protective film is formed.

しかし、保護フィルム等が存在しない発電領域A1においては、進展した亀裂が膜電極接合体のアノード側電極とカソード側電極を貫通し、クロスリーク路の形成に至るという危険性を否定することはできない。   However, in the power generation region A1 where there is no protective film or the like, the risk that the developed crack penetrates the anode side electrode and the cathode side electrode of the membrane electrode assembly and leads to the formation of a cross leak path cannot be denied. .

上記する課題を解消するべく、スタッキング時の圧縮力を低減させてエッジの突き刺さりを防止しようとすると、今度は圧縮力(締結力)不足によって燃料電池セルの構成部材間の界面における接触抵抗が増加してしまい、これは燃料電池の発電性能低下に直結することから適切な対処アプローチとは言えない。   In order to eliminate the above-mentioned problems, if the compression force at the time of stacking is reduced to prevent edge sticking, the contact resistance at the interface between the components of the fuel cell increases due to insufficient compression force (fastening force). Therefore, this is not an appropriate coping approach because it directly affects the power generation performance of the fuel cell.

特開2005−293944号公報JP 2005-293944 A

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、スタッキング時の所与の圧縮力を維持しながら、ガス流路層を形成する多孔体の端面から突出するエッジから集中的に圧縮力が作用した場合でも、少なくとも電極体の発電領域を構成するガス拡散層(拡散層基材もしくは集電層)に該エッジが突き刺さること、さらには、エッジの突き刺さりによって膜電極接合体を損傷させたり、ガスのクロスリーク路を形成するといった問題を効果的に抑止することのできる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and while maintaining a given compressive force at the time of stacking, the compressive force is concentrated from the edge protruding from the end face of the porous body forming the gas flow path layer. Even when this occurs, the edge pierces at least the gas diffusion layer (diffusion layer substrate or current collecting layer) constituting the power generation region of the electrode body, and further, the membrane electrode assembly may be damaged by the piercing of the edge. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of effectively suppressing the problem of forming a gas cross leak path.

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体と、これを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、前記ガス拡散層は、膜電極接合体を構成する触媒層と当接する集電層と該集電層を包囲する拡散層基材とから形成されており、前記拡散層基材のうち、前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されているものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention has a porous electrode in which an electrode body is formed from a membrane electrode assembly and an anode side and cathode side gas diffusion layer sandwiching the membrane electrode assembly to form a gas flow path layer. In the fuel cell in which the fuel cell is formed by sandwiching the electrode body with the electrode body and the separator, and the fuel cell is laminated, the gas diffusion layer is in contact with the catalyst layer constituting the membrane electrode assembly. A current collecting layer in contact with the diffusion layer base material surrounding the current collection layer, and a portion of the diffusion layer base material that is in contact with a plurality of edges of the end face of the porous body is provided on the porous body side. Projecting protrusions are formed.

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルは、ガス流路層を形成する多孔体のガス拡散層側の端面から突出する端面エッジに対して、ガス拡散層(の拡散層基材)の該端面エッジに対応する位置に突起を設けておき、この突起に該端面エッジを当接させることにより、たとえばスタッキング時に多孔体の端面エッジから作用する集中荷重を該突起で直接的に支持し、突起を介して作用する集中荷重を該突起および拡散層基材内で分散させて膜電極接合体に伝達することにより、少なくとも膜電極接合体の発電領域において上記集中荷重による亀裂の発生を効果的に抑止できる燃料電池である。   The fuel cell constituting the fuel cell of the present invention has a gas diffusion layer (diffusion layer base material) of the porous body forming the gas flow path layer with respect to the end surface edge protruding from the end surface on the gas diffusion layer side. A protrusion is provided at a position corresponding to the end face edge, and the end face edge is brought into contact with the protrusion, so that, for example, the concentrated load acting from the end face edge of the porous body during stacking is directly supported by the protrusion. By dispersing the concentrated load acting through the projection and the diffusion layer base material and transmitting it to the membrane electrode assembly, it is possible to effectively generate cracks due to the concentrated load at least in the power generation region of the membrane electrode assembly. It is a fuel cell that can be deterred.

ここで、ガス流路層を形成する多孔体は、エキスパンドメタル、金属発泡焼結体のいずれであってもよいが、多孔体の端面から突出するエッジ長が相対的に長く、かつ、エッジ数が相対的に少ないために集中荷重が相対的に大きくなってしまうエキスパンドメタルを使用する場合に、上記特徴構成を有する本発明の燃料電池は特に効果を奏する。また、多孔体がエキスパンドメタルからなる場合には、これがメタル板を連続的に押出しながら断続的にせん断加工され、せん断後のメタル板(メタルメッシュ)を引き伸ばした際に、台形、菱形等の気孔を有する多孔体が形成されることになる。それを縦断面的に見ると、この気孔を画成するメタルメッシュは傾斜したメタルビーム(該メタルビームの端面が上記するエッジとなる)が間欠的に並んだ態様を呈している。したがって、多孔体がエキスパンドメタルからなる場合はその端面エッジの間隔や位置を特定し易いことから、多数の端面エッジに対応した位置に突起を有するガス拡散層(の拡散層基材)を製造し易い。   Here, the porous body forming the gas flow path layer may be either an expanded metal or a metal foam sintered body, but the edge length protruding from the end face of the porous body is relatively long, and the number of edges The fuel cell according to the present invention having the above-described characteristic configuration is particularly effective when using an expanded metal in which the concentrated load becomes relatively large because of relatively small amount of. In addition, when the porous body is made of expanded metal, it is intermittently sheared while continuously extruding the metal plate, and when the metal plate (metal mesh) after shearing is stretched, the pores such as trapezoid and rhombus The porous body which has this will be formed. When viewed in a longitudinal section, the metal mesh defining the pores has an aspect in which inclined metal beams (the end surfaces of the metal beams become the above-described edges) are arranged intermittently. Therefore, when the porous body is made of expanded metal, it is easy to specify the interval and position of the end face edges, and therefore, a gas diffusion layer (diffusion layer base material) having protrusions at positions corresponding to many end face edges is manufactured. easy.

上記する突起は、アノード側とカソード側のいずれか一方の拡散層基材の多孔体側端面に設けてもよいし、双方の拡散層基材の多孔体側端面に設けてもよい。アノード側とカソード側のいずれか一方のみに設ける場合であっても、圧縮力の大きさや拡散層基材の素材やその厚み等の条件によっては、アノード側およびカソード側の双方から作用する集中荷重に対して、ガス流路層や膜電極接合体に亀裂が生じないと判断できる場合には、双方に設ける必要は必ずしもない。また、少なくとも膜電極接合体の発電領域に亀裂が生じないようにするために、拡散層基材の多孔体側端面のうち、少なくともその発電領域に上記する突起が設けられていればよい。   The protrusions described above may be provided on the porous body side end surface of either the anode side or the cathode side, or may be provided on the porous body side end surfaces of both diffusion layer base materials. Even when it is provided only on either the anode side or the cathode side, depending on the conditions such as the compressive force, the material of the diffusion layer base material and its thickness, the concentrated load acting from both the anode side and the cathode side On the other hand, when it can be determined that no cracks occur in the gas flow path layer or the membrane electrode assembly, it is not always necessary to provide them on both sides. In addition, in order to prevent cracks from occurring at least in the power generation region of the membrane electrode assembly, it is only necessary that the above-described protrusions be provided in at least the power generation region of the end surface on the porous body side of the diffusion layer base material.

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、膜電極接合体と、これを挟持するアノード側およびカソード側のいずれか一方に配された、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層と、他方に配された集電層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、前記拡散層基材および前記他方に配された集電層のうち、少なくとも該他方に配された集電層において前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されているものである。   Another embodiment of the fuel cell according to the present invention comprises a membrane electrode assembly, and a current collecting layer and a diffusion layer base material disposed on either the anode side or the cathode side that sandwich the membrane electrode assembly. An electrode body is formed from a gas diffusion layer and a current collecting layer disposed on the other side, and a porous body and a separator forming a gas flow path layer sandwich the electrode body to form a fuel cell, and the fuel In the fuel cell formed by stacking battery cells, among the diffusion layer base material and the current collecting layer arranged on the other side, at least a plurality of end surfaces of the porous body in the current collecting layer arranged on the other side A protrusion that protrudes toward the porous body is formed at a position in contact with the edge.

本実施の形態の燃料電池を構成する燃料電池セルは、アノード側とカソード側のいずれか一方のガス拡散層が拡散層基材を具備しない、すなわち、一方は拡散層基材および集電部からなるガス拡散層を有し、他方は集電層のみからなるガス拡散層を有する燃料電池セルである。すなわち、本明細書では、この形態の燃料電池セルにおいて、拡散層基材が存在せず、集電層のみからなる場合もガス拡散層に含めることとする。   In the fuel cell constituting the fuel cell of the present embodiment, the gas diffusion layer on either the anode side or the cathode side does not include the diffusion layer base material, that is, one from the diffusion layer base material and the current collector. The other is a fuel cell having a gas diffusion layer consisting of only a current collecting layer. That is, in this specification, in the fuel cell of this embodiment, a case where the diffusion layer base material does not exist and only the current collecting layer is included in the gas diffusion layer.

本実施の形態は、燃料電池セルの構成部材内において弾性変形が可能な拡散層基材が両電極のいずれか一方のみにしか存在しない場合であっても、その弾性変形によって作用圧縮力を膜電極接合体の一方面に均一に付与できればよいという思想の下で、他方の拡散層基材を廃したものである。たとえば、プロトンと酸素との化学反応がおこなわれるカソード側において、膜電極接合体へ作用する圧縮力を可及的に面内均一にしたいという設計思想に則れば、カソード側には拡散層基材を有するガス拡散層を設け、アノード側に集電層のみを設けた構成とするのがよい。   In the present embodiment, even when a diffusion layer base material that can be elastically deformed in only one of the two electrodes exists in the constituent members of the fuel cell, the compressive force is applied to the membrane by the elastic deformation. The other diffusion layer base material is abolished under the idea that it can be uniformly applied to one surface of the electrode assembly. For example, on the cathode side where a chemical reaction between protons and oxygen occurs, the diffusion layer base is formed on the cathode side in accordance with the design philosophy of making the compressive force acting on the membrane electrode assembly as uniform as possible in the plane. A gas diffusion layer having a material is preferably provided, and only a current collecting layer is provided on the anode side.

さらに、本実施の形態では、少なくとも、拡散層基材を具備しない電極側の集電層の多孔体側端面に上記する突起を設けておき、この突起で多孔体の端面エッジを支持させるものである。なお、他方極の拡散層基材の多孔体側側面にも同様の突起を設けた形態であってもよい。   Furthermore, in the present embodiment, at least the above-described protrusion is provided on the porous body side end face of the current collecting layer on the electrode side that does not include the diffusion layer base material, and the end face edge of the porous body is supported by this protrusion. . In addition, the form which provided the same protrusion also in the porous body side surface of the diffusion layer base material of the other electrode may be sufficient.

また、拡散層基材を具備しない電極側の集電層は、たとえば、シート状(もしくはフィルム状)として製造することにより、その加工性(ハンドリング性)を担保できる。製造されたフィルム状の触媒層を触媒層表面にホットプレス等することで膜電極接合体の一方面に集電層を設けることができる。なお、この集電層は、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素(カーボン)材料などと、フッ素樹脂等の撥水性ポリマーとから形成することができる。   Moreover, the current collection layer on the electrode side not provided with the diffusion layer base material can ensure its workability (handling property) by manufacturing it as a sheet (or film), for example. A current collecting layer can be provided on one surface of the membrane electrode assembly by hot pressing the produced film-like catalyst layer on the surface of the catalyst layer. This current collecting layer is composed of conductive materials such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, silver, copper and their compounds or alloys, conductive carbon (carbon) materials, and fluororesins. It can be formed from a water repellent polymer.

上記する多孔体を具備する本発明の燃料電池によれば、スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら(スタッキング時の圧縮力を低減することなく)、少なくとも電極体(拡散層基材や集電層)の発電領域に多孔体の端面エッジが突き刺さること、さらには、エッジの突き刺さりによって膜電極接合体を損傷させたり、ガスのクロスリーク路を形成するといった問題を効果的に解消することが可能となる。   According to the fuel cell of the present invention having the porous body described above, at least the electrode body (diffusion layer base material) while maintaining the compression force during stacking at a desired value (without reducing the compression force during stacking). In addition, it effectively eliminates the problem that the edge of the porous body pierces into the power generation region of the current collecting layer and damages the membrane electrode assembly or forms a gas cross-leakage path due to the piercing of the edge. It becomes possible.

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、スタッキング時の圧縮力を所望の値に維持しながら、拡散層基材や集電層に多孔体の端面エッジが突き刺さるのを効果的に抑止することができ、もってクロスリーク耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。   As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, the end face edge of the porous body pierces the diffusion layer base material or the current collecting layer while maintaining the compression force at the time of stacking at a desired value. A fuel cell that can be effectively suppressed and has excellent cross leak durability can be obtained.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例の金属多孔体はエキスパンドメタルからなるものであるが、金属多孔体は該エキスパンドメタル以外にも、金属発泡焼結体から形成されるものであってもよい。この場合は、たとえば、ニッケル、チタン、ステンレス等の導電性金属粒子からなる金属粒子と、炭化水素ナトリウム、TiHなどからなる発泡材と、溶媒と、からなるペーストを所定形状に焼成することにより、金属発泡焼結体からなる多孔体が得られる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, although the metal porous body of the example of illustration consists of an expanded metal, a metal porous body may be formed from a metal foam sintered body other than this expanded metal. In this case, for example, by baking a paste made of metal particles made of conductive metal particles such as nickel, titanium, and stainless steel, a foam material made of sodium hydrocarbon, TiH 2 and the like, and a solvent into a predetermined shape. A porous body made of a metal foam sintered body is obtained.

図1は、本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の縦断面図である。図1に示す燃料電池セル100の構造は、イオン交換膜である電解質膜1とカソード側およびアノード側の触媒層2,2とから膜電極接合体3(MEA)が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層4、4(GDL)が挟持して電極体10(MEGA)が形成され、この電極体10をカソード側およびアノード側のガス流路層5,5が挟持し、さらにこのガス流路層5,5を3層構造のセパレータ7,7が挟持し、電極体10の周縁には樹脂製のガスケット8が一体に形成されたものである。さらに、触媒層2は電解質膜1に比してそれらの面積が狭小であり、したがって、電解質膜1の両側の触媒層2,2の周縁には該触媒層2,2が存在しない露出領域が形成されており、この露出領域には、カソード側およびアノード側の保護フィルム6,6が配されており、ガス拡散層4,4から突出する毛羽が電解質膜1に突き刺さるのを防護している。なお、図で示す燃料電池セル100は、スタッキング時の圧縮力が作用する前の状態を示しており、したがって、後述する拡散層基材41の多孔体側の端面に設けられた突起41a,…がエキスパンドメタル5の端面エッジ51aから作用する集中荷重にて潰されていない状態である。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of a fuel cell constituting the fuel cell of the present invention. The structure of the fuel cell 100 shown in FIG. 1 is that a membrane electrode assembly 3 (MEA) is formed from an electrolyte membrane 1 that is an ion exchange membrane and catalyst layers 2 and 2 on the cathode side and anode side. And the anode side gas diffusion layers 4 and 4 (GDL) are sandwiched to form an electrode body 10 (MEGA). The cathode body and anode side gas flow path layers 5 and 5 are sandwiched between the electrode body 10 and The gas flow path layers 5 and 5 are sandwiched by separators 7 and 7 having a three-layer structure, and a resin gasket 8 is integrally formed on the periphery of the electrode body 10. Further, the area of the catalyst layer 2 is smaller than that of the electrolyte membrane 1, and therefore, there is an exposed region where the catalyst layers 2, 2 do not exist at the periphery of the catalyst layers 2, 2 on both sides of the electrolyte membrane 1. In this exposed region, cathode-side and anode-side protective films 6, 6 are arranged to prevent fluff protruding from the gas diffusion layers 4, 4 from sticking into the electrolyte membrane 1. . Note that the fuel cell 100 shown in the figure shows a state before the compressive force at the time of stacking is applied, and therefore, protrusions 41a,... The expanded metal 5 is not crushed by the concentrated load acting from the end face edge 51a.

ここで、膜電極接合体3を構成する電解質膜1は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。また、触媒層2は、触媒が担持された導電性担体(粒子状のカーボン担体など)と、電解質と、分散溶媒(有機溶媒)と、を混合して触媒溶液(触媒インク)を生成し、これを電解質膜1やガス拡散層4等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標、デュポン社製)やフレミオン(Flemion)(登録商標、旭硝子株式会社製)などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒(金属触媒)としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。   Here, the electrolyte membrane 1 constituting the membrane electrode assembly 3 includes, for example, a fluorine ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, It is formed from a non-fluorine polymer such as sulfonated phenylene sulfide. The catalyst layer 2 is a mixture of a conductive carrier (particulate carbon carrier or the like) on which a catalyst is supported, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to produce a catalyst solution (catalyst ink). The catalyst layer is formed by stretching this on a base material such as the electrolyte membrane 1 or the gas diffusion layer 4 in a layer shape with a coating blade to form a coating film and drying it in a hot air drying furnace or the like. Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone And sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Examples of the dispersion solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, and diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. , Propylene carbonate, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen solvents, and these can be used alone or as a mixed solution. Furthermore, regarding a conductive carrier carrying a catalyst, examples of the conductive carrier include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. As this catalyst (metal catalyst), for example, any one of platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium, etc. can be used, preferably platinum or platinum alloy is used. It is good to do. Furthermore, as this platinum alloy, for example, platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium and lead An alloy with at least one of them can be mentioned.

また、ガス流路層5を流れた酸化剤ガスや燃料ガスを膜電極接合体3に拡散提供するガス拡散層4は、拡散層基材41と集電層42(MPL)とからなるものであり、拡散層基材41としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材41の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材41としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層42はアノード側、カソード側の触媒層2,2から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。   The gas diffusion layer 4 for diffusing and providing the oxidant gas and fuel gas flowing through the gas flow path layer 5 to the membrane electrode assembly 3 includes a diffusion layer base material 41 and a current collecting layer 42 (MPL). The diffusion layer base material 41 is not particularly limited as long as it has a low electrical resistance and can collect current. For example, a material mainly composed of a conductive inorganic substance can be cited. Examples of the conductive inorganic substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, carbon materials such as graphite and expanded graphite, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, titanium, and the like. The form of the conductive inorganic substance of the diffusion layer base material 41 is not particularly limited. For example, the conductive inorganic substance is used in the form of fibers or particles, but is an inorganic conductive fiber from the viewpoint of gas permeability. Fiber is preferred. As the diffusion layer base material 41 using inorganic conductive fibers, a woven fabric or non-woven fabric structure can be used, and examples thereof include carbon paper and carbon cloth. The woven fabric is not particularly limited, such as plain weaving, crest weaving, and binding weaving, and examples of the nonwoven fabric include those made by a papermaking method, a needle punching method, and a water jet punching method. Further, examples of the carbon fiber include phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Further, the current collecting layer 42 serves as an electrode for collecting electrons from the catalyst layers 2 and 2 on the anode side and the cathode side, and is made of platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, silver, which are conductive materials. , Copper and their compounds or alloys, conductive carbon materials, and the like.

また、保護フィルム6は、ポリテトラフルオロエチレン、PVDF(二フッ化ポリビニル)、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。   The protective film 6 is made of polytetrafluoroethylene, PVDF (polyvinyl difluoride), polyethylene, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyphenylene ether (PPE), polypropylene, polyester, polyamide, copolyamide, polyamide elastomer, polyimide. , Polyurethane, polyurethane elastomer, silicone, silicone rubber, silicon-based elastomer and the like.

また、電極体の周縁であってセパレータ7と電極体10で画成された領域に設けられたガスケット8は、たとえば成形型内に電極体を収容し、その周縁に樹脂を射出成形することで成形される。ここで、ガスケット8は、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンRTVゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などの樹脂素材にて成形される。   In addition, the gasket 8 provided in a region defined by the separator 7 and the electrode body 10 at the periphery of the electrode body accommodates the electrode body in, for example, a molding die, and injection-molds a resin at the periphery. Molded. Here, the gasket 8 is formed of a resin material such as butyl rubber, urethane rubber, silicone RTV rubber, epoxy resin having methanol resistance, epoxy-modified silicone resin, silicone resin, fluorine resin, or hydrocarbon resin. The

さらに、セパレータ7は、隣接する燃料電池セルとの間でセル間を画成するカソード側プレート71と、アノード側プレート73と、これらのプレート71,73間に介層され、プレート71,73の外周輪郭に沿う枠状(無端状)に形成されたスペーサ72と、から構成されている。このプレート71,73は、導電性金属であるステンレスやチタンなどから形成されており、スペーサ72は、同様の導電性金属もしくは樹脂から形成されている。一つの実施形態としては、プレート71におけるプレート73に対向する側面に多数のディンプルが備えてあり、このディンプルがスペーサ72の厚み分の高さを有していることにより、3層構造となった際に、ディンプルの先端がプレート73の側面と当接されて冷媒流路を形成する形態がある。また、他の形態としては、スペーサ72に直線状もしくは蛇行状の冷媒流路が形成された形態もある。この3層構造セパレータでは、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒のそれぞれがセパレータ内に流入し、さらに流出する固有のマニホールドMが形成されており、ガスケット8に同軸に形成されたマニホールドMと流体連通している。なお、ガスケット8のうち、マニホールドMの周縁には無端リブ81が形成されており、これをセパレータ7が押圧することで流体シール構造が形成される。   Further, the separator 7 is interposed between the cathode side plate 71, the anode side plate 73, and the plates 71, 73 that define the cells between adjacent fuel cells, and And a spacer 72 formed in a frame shape (endless shape) along the outer periphery contour. The plates 71 and 73 are made of a conductive metal such as stainless steel or titanium, and the spacer 72 is made of the same conductive metal or resin. In one embodiment, a large number of dimples are provided on the side surface of the plate 71 facing the plate 73, and the dimple has a height corresponding to the thickness of the spacer 72, resulting in a three-layer structure. In some cases, the tip of the dimple is brought into contact with the side surface of the plate 73 to form a coolant channel. As another form, there is a form in which a linear or meandering refrigerant flow path is formed in the spacer 72. In this three-layer structure separator, a unique manifold M is formed in which each of fuel gas, oxidant gas, and refrigerant flows into the separator and then flows out, and is in fluid communication with the manifold M formed coaxially with the gasket 8. is doing. In addition, the endless rib 81 is formed in the periphery of the manifold M among the gaskets 8, and the fluid seal structure is formed when the separator 7 presses this.

図1で示すガス流路層5は、エキスパンドメタルから形成される。これは、メタル製の板材を回転ロール上で連続的に押出しながら、断続的に順次せん断加工をおこない、次いで、せん断後のメタル板(メタルメッシュ)を引き伸ばすことにより、台形や菱形等の気孔を有するエキスパンドメタル5を形成するものである。それを縦断面的に見ると、この気孔を画成するメタルメッシュは、図示のごとく傾斜したメタルビーム51,…(該メタルビーム51の端面がエッジ51aとなる)が間欠的に並んだ態様を呈している(図示を省略するが、図に直交する方向から見ると、メタルビームにて台形や菱形形状に画成された多数の気孔を視認できる)。   The gas flow path layer 5 shown in FIG. 1 is formed from expanded metal. This is done by continuously extruding a metal plate on a rotating roll, intermittently performing shearing, and then stretching the metal plate (metal mesh) after shearing to form pores such as trapezoids and rhombuses. The expanded metal 5 is formed. When viewed in a longitudinal section, the metal mesh that defines the pores has a state in which the inclined metal beams 51,... (The end surface of the metal beam 51 becomes the edge 51a) are arranged intermittently as shown in the figure. (Although not shown, when viewed from a direction orthogonal to the figure, a large number of pores defined in a trapezoidal or rhombus shape can be visually recognized by a metal beam).

一方、アノード側およびカソード側の拡散層基材41,41の多孔体側端面には、上記するエキスパンドメタル5の各メタルビーム51の端面エッジ51aに対応する位置において、エキスパンドメタル側に突出する突起41aが設けられている。したがって、図示のごとく、それぞれの突起41aが対応する端面エッジ51aを支持した姿勢を呈している。スタッキング時に各燃料電池セル100に圧縮力が作用し、これが該端面エッジ51aから集中荷重として拡散層基材41に作用する際に、該集中荷重を突起41aが直接的に受け、ここで集中荷重を分散させて拡散層基材41に伝達することができる。拡散層基材41に集中荷重が直接作用することがなく、分散された分散荷重が均等に作用することにより、さらには、この拡散層基材41にてさらに荷重分散がおこなわれることにより、拡散層基材41をはじめとする電極体10の構成部材に亀裂が生じることを効果的に抑止することができる。   On the other hand, on the porous body side end surfaces of the diffusion layer base materials 41, 41 on the anode side and the cathode side, protrusions 41a projecting toward the expanded metal side at positions corresponding to the end surface edges 51a of the respective metal beams 51 of the expanded metal 5 described above. Is provided. Therefore, as shown in the drawing, each protrusion 41a has a posture in which the corresponding end surface edge 51a is supported. When stacking, a compressive force acts on each fuel cell 100, and when this acts on the diffusion layer base material 41 as a concentrated load from the end face edge 51a, the concentrated load is directly received by the protrusion 41a. Can be dispersed and transmitted to the diffusion layer substrate 41. The concentrated load does not act directly on the diffusion layer base material 41, and the dispersed dispersion load acts evenly. Further, the load dispersion is further performed on the diffusion layer base material 41, so that the diffusion layer is diffused. It is possible to effectively suppress the occurrence of cracks in the constituent members of the electrode body 10 including the layer base material 41.

なお、図示例はアノード側とカソード側の双方の拡散層基材41,41に突起41aを設けた形態であるが、作用する圧縮力、拡散層基材の厚み等の条件によっては、アノード側とカソード側のいずれか一方の拡散層基材41にのみ突起41aを設けた形態であってもよい。   In the illustrated example, the protrusion 41a is provided on the diffusion layer base materials 41, 41 on both the anode side and the cathode side. However, depending on the conditions such as the compressive force acting and the thickness of the diffusion layer base material, the anode side Alternatively, the protrusion 41a may be provided only on one of the diffusion layer base materials 41 on the cathode side.

図示する燃料電池セル100が所要電力に応じた基数だけ積層されて(たとえば200〜400基)セル積層体を形成し、この両側にエンドプレートが配され、さらに、テンションプレートやインシュレータ等が積層され、所与の圧縮力にてスタッキングされることによって燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。   The illustrated fuel cell 100 is stacked in the number corresponding to the required power (for example, 200 to 400) to form a cell stack, end plates are arranged on both sides, and tension plates, insulators, and the like are stacked. The fuel cell is formed by stacking with a given compressive force. A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.

また、図2は燃料電池セルの他の実施の形態を示した縦断面図である。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the fuel cell.

この燃料電池セル100Aでは、アノード側のガス拡散層が集電層42Aのみからなるものであり、この集電層42Aのエキスパンドメタル5側に突起42Aa、…が設けてあり、突起42Aaにてメタルビーム51の端面エッジ51aを支持するようになっている。   In this fuel cell 100A, the gas diffusion layer on the anode side is composed only of the current collecting layer 42A, and projections 42Aa,... Are provided on the side of the expanded metal 5 of the current collecting layer 42A. The end face edge 51a of the beam 51 is supported.

ここで,カソード側の集電層42は、導電性カーボン粉末と撥水性のフッ素樹脂(四フッ化エチレン樹脂(PTFE)など)エマルジョンを十分に攪拌混合してスラリー状にし、粘度調整されたスラリーをカソード側の拡散層基材41に塗布し、次いで、100℃程度の高温雰囲気にて乾燥させ、さらに300℃以上で焼成することによって製造される。   Here, the cathode-side current collecting layer 42 is a slurry whose viscosity is adjusted by sufficiently stirring and mixing a conductive carbon powder and a water-repellent fluororesin (such as tetrafluoroethylene resin (PTFE)) emulsion. Is applied to the diffusion layer base material 41 on the cathode side, then dried in a high temperature atmosphere of about 100 ° C., and further fired at 300 ° C. or higher.

一方、アノード側の集電層42Aは、拡散層基材を有していないことからそれ自身が自立できる程度の剛性や可撓性を備えた、シート状(もしくはフィルム状)に加工されたものを触媒層2にホットプレスするものである。なお、フィルム状の集電層を製造する場合も、上記と同素材のスラリーを、所定厚のシートとその表面上の所定位置に突起42Aaが形成できるキャビティを備えた型内に流し込み、乾燥および焼成を実施して製造できる。   On the other hand, the current collecting layer 42A on the anode side is processed into a sheet (or film) having rigidity and flexibility enough to be self-supporting because it does not have a diffusion layer base material. Is hot-pressed onto the catalyst layer 2. Even in the case of producing a film-like current collecting layer, a slurry of the same material as described above is poured into a mold having a sheet having a predetermined thickness and a cavity in which a protrusion 42Aa can be formed at a predetermined position on the surface thereof. It can be manufactured by firing.

図2で示す燃料電池セル100Aによれば、アノード側の拡散層基材41が省略されていることで、セル厚を可及的に薄くでき、燃料電池の小型化に寄与できる。   According to the fuel cell 100A shown in FIG. 2, since the anode side diffusion layer base material 41 is omitted, the cell thickness can be made as thin as possible, which can contribute to the miniaturization of the fuel cell.

なお、スタッキング時の圧縮力や拡散層基材41の厚みや素材などの条件によっては、図2で示す燃料電池セルの変形例として、カソード側の拡散層基材41が突起41aを具備しない燃料電池セルであってもよい。   Depending on the compression force at the time of stacking, the thickness of the diffusion layer base material 41, the material, and other conditions, as a modification of the fuel cell shown in FIG. 2, the cathode side diffusion layer base material 41 does not have a protrusion 41a. A battery cell may be sufficient.

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

本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの一実施の形態の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of one embodiment of the fuel cell constituting the fuel cell of the present invention. 本発明の燃料電池を構成する燃料電池セルの他の実施の形態の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of other embodiment of the fuel cell which comprises the fuel cell of this invention. 従来の燃料電池セルにおいて、エキスパンドメタルからなる多孔体が拡散層基材に突き刺さっている状態を説明した図である。In the conventional fuel cell, it is the figure explaining the state which the porous body which consists of an expanded metal has pierced the diffusion layer base material.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜、2…触媒層、3…膜電極接合体(MEA)、4…ガス拡散層、41…拡散層基材、41a…突起、42,42A…集電層(MPL)、42Aa…突起、5…ガス流路層(多孔体、エキスパンドメタル)、51…メタルビーム、51a…端面エッジ、6…保護フィルム、7…セパレータ、71…カソード側プレート、72…中間プレート(スペーサ)、73…アノード側プレート、8…ガスケット、81…無端リブ、10…電極体(MEGA)、100,100A…燃料電池セル、M…マニホールド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane, 2 ... Catalyst layer, 3 ... Membrane electrode assembly (MEA), 4 ... Gas diffusion layer, 41 ... Diffusion layer base material, 41a ... Protrusion, 42, 42A ... Current collection layer (MPL), 42Aa ... Projection, 5 ... Gas flow path layer (porous body, expanded metal), 51 ... Metal beam, 51a ... End face edge, 6 ... Protective film, 7 ... Separator, 71 ... Cathode side plate, 72 ... Intermediate plate (spacer), 73 ... Anode side plate, 8 ... Gasket, 81 ... Endless rib, 10 ... Electrode body (MEGA), 100, 100A ... Fuel cell, M ... Manifold

Claims (3)

膜電極接合体と、これを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、
前記ガス拡散層は、膜電極接合体を構成する触媒層と当接する集電層と該集電層を包囲する拡散層基材とから形成されており、
前記拡散層基材のうち、前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されている、燃料電池。
An electrode body is formed from a membrane electrode assembly and an anode-side and cathode-side gas diffusion layer sandwiching the membrane-electrode assembly, and a porous body and a separator that form a gas flow path layer sandwich the electrode body to form a fuel cell. In a fuel cell formed by stacking the fuel cells,
The gas diffusion layer is formed of a current collecting layer in contact with the catalyst layer constituting the membrane electrode assembly and a diffusion layer base material surrounding the current collecting layer,
A fuel cell, wherein protrusions projecting toward the porous body are formed at locations where the diffusion layer base material contacts a plurality of edges of the end face of the porous body.
膜電極接合体と、これを挟持するアノード側およびカソード側のいずれか一方に配された、集電層と拡散層基材とからなるガス拡散層と、他方に配された集電層と、から電極体が形成され、ガス流路層を形成する多孔体とセパレータが該電極体を挟持して燃料電池セルを成し、該燃料電池セルが積層されて形成される燃料電池において、
前記拡散層基材および前記他方に配された集電層のうち、少なくとも該他方に配された集電層において前記多孔体の端面の複数のエッジと当接する箇所には、多孔体側に突出する突起が形成されている、燃料電池。
A membrane electrode assembly, a gas diffusion layer composed of a current collection layer and a diffusion layer base material disposed on either the anode side or the cathode side sandwiching the membrane electrode assembly, and a current collection layer disposed on the other side, In the fuel cell in which the electrode body is formed, the porous body forming the gas flow path layer and the separator sandwich the electrode body to form a fuel battery cell, and the fuel battery cell is laminated.
Of the current collector layer disposed on the diffusion layer base material and the other side, at least a current collector layer disposed on the other side protrudes toward the porous body side at a location where it contacts a plurality of edges of the end surface of the porous body. A fuel cell having protrusions formed thereon.
前記多孔体がエキスパンドメタルからなる、請求項1または2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the porous body is made of expanded metal.
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