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JP2012015041A - Electrode-film-frame assembly, manufacturing method thereof, and fuel cell - Google Patents

Electrode-film-frame assembly, manufacturing method thereof, and fuel cell Download PDF

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JP2012015041A
JP2012015041A JP2010152771A JP2010152771A JP2012015041A JP 2012015041 A JP2012015041 A JP 2012015041A JP 2010152771 A JP2010152771 A JP 2010152771A JP 2010152771 A JP2010152771 A JP 2010152771A JP 2012015041 A JP2012015041 A JP 2012015041A
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JP
Japan
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membrane
electrode
electrolyte membrane
frame
catalyst layer
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Application number
JP2010152771A
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Masaki Yamauchi
将樹 山内
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode-film-frame assembly capable of further improving power generation performance.SOLUTION: In the electrode-film-frame assembly, a frame body 6 formed in a peripheral part 5E of a film electrode assembly 5 is configured so as to include an architrave-shaped handling part 61 and an architrave-shaped leakage prevention part 62. In order that each part can attain its function, the handling part 61 comprises thermoplastic resin with high elastic modulus comprising polypropylene filled with glass filler, and the leakage prevention part 62 comprises thermoplastic elastomer with low elastic modulus not filled with the glass filler.

Description

本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える電極−膜−枠接合体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell used as a driving source for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like, and in particular, an electrode-membrane-frame assembly provided in the fuel cell and its manufacture. Regarding the method.

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

燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。1つのセルは、膜電極接合体(以下、MEA:Membrane-Electrode-Assemblyという)を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。MEAは、ハンドリング性の向上のため、その周縁部(外縁部ともいう)を、額縁状に成形された樹脂製の枠体で保持されている。ここでは、前記枠体を備えるMEAを電極−膜−枠接合体という。   A fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells and pressurizing them with a fastening member such as a bolt. One cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane-Electrode-Assembly) between a pair of plate-like conductive separators. The MEA is held at its peripheral edge (also referred to as an outer edge) by a resin frame formed into a frame shape in order to improve handling properties. Here, the MEA including the frame is referred to as an electrode-membrane-frame assembly.

MEAは、周縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成され且つ前記枠体より内側に配置された一対の電極層とで構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。一方、枠体の表面には、セパレータと枠体との間をシールするガスケットが設けられ、当該ガスケットにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの外部への漏出が遮断あるいは抑制されている。   The MEA includes a polymer electrolyte membrane whose peripheral portion is supported by the frame body, and a pair of electrode layers that are formed on both surfaces of the electrolyte membrane and disposed on the inner side of the frame body. The pair of electrode layers includes a catalyst layer made of platinum or the like formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane and a porous and conductive gas diffusion layer formed on the catalyst layer. When the fuel gas or the oxidant gas comes into contact with the pair of electrode layers, an electrochemical reaction is generated, and electric power and heat are generated. On the other hand, a gasket for sealing between the separator and the frame is provided on the surface of the frame, and leakage of fuel gas and oxidant gas to the outside is blocked or suppressed by the gasket.

前記構造を有する燃料電池としては、例えば、特許文献1(国際公開番号WO2009/072291号)に開示されたものがある。特許文献1には、MEAの周辺部において、MEAの一方の面に一次成形体を配置した後、MEAの他方の面に二次成形体を射出成形することにより、一次成形体と二次成形体とを一体化して枠体を形成することが開示されている。   As the fuel cell having the above structure, for example, there is one disclosed in Patent Document 1 (International Publication No. WO2009 / 072291). In Patent Document 1, a primary molded body and a secondary molded body are formed by injection molding a secondary molded body on the other surface of the MEA after disposing a primary molded body on one surface of the MEA in the periphery of the MEA. It is disclosed that a frame is formed by integrating a body.

国際公開番号WO2009/072291号International Publication Number WO2009 / 072291

しかしながら、従来の燃料電池においては発電性能が十分でないという問題があった。
従って本発明の目的は、発電性能を一層向上させることができる電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに燃料電池を提供することにある。
However, the conventional fuel cell has a problem that the power generation performance is not sufficient.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode-membrane-frame assembly, a method for producing the same, and a fuel cell that can further improve power generation performance.

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、高分子電解質膜の第1の主面に配置された第1触媒層と、前記第1触媒層の主面に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の第2の主面に配置された第2触媒層と、前記第2触媒層の主面に配置された第2ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に樹脂製の枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、互いに異なる樹脂材料で構成された額縁状のハンドリング部と額縁状のリーク防止部と、を有し、
前記ハンドリング部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記ハンドリング部の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第1の主面側に配置され、
前記リーク防止部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記リーク防止部の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第2の主面側に配置されている、
電極−膜−枠接合体を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to the present invention, the first catalyst layer disposed on the first main surface of the polymer electrolyte membrane, the first gas diffusion layer disposed on the main surface of the first catalyst layer, and the first of the electrolyte membrane. A resin frame is formed at the peripheral edge of the membrane electrode assembly having the second catalyst layer disposed on the main surface of the second gas layer and the second gas diffusion layer disposed on the main surface of the second catalyst layer. Electrode-membrane-frame assembly, comprising:
The frame has a frame-shaped handling portion and a frame-shaped leak prevention portion made of different resin materials,
The handling portion is disposed on the first main surface side of the electrolyte membrane so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane and an inner edge portion of the handling portion overlap when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The leak prevention portion is disposed on the second main surface side of the electrolyte membrane so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane and an inner edge portion of the leak prevention portion overlap each other when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. Yes,
An electrode-membrane-frame assembly is provided.

本発明の電極−膜−枠接合体によれば、ハンドリング部とリーク防止部とを有するように枠体を構成し、ハンドリング部とリーク防止部とを互いに異なる樹脂材料で構成するようにしている。すなわち、枠体が、主として枠体としての強度及び電極−膜−枠接合体のハンドリング性を担う部分と、主としてクロスリークの防止を担う部分との2つの部分を有するように構成している。これにより、所望のハンドリング性を確保しつつ、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。   According to the electrode-membrane-frame assembly of the present invention, the frame is configured to have a handling part and a leak prevention part, and the handling part and the leak prevention part are made of different resin materials. . That is, the frame body is configured to have two parts, a part mainly responsible for the strength as the frame body and the handleability of the electrode-membrane-frame assembly, and a part mainly responsible for preventing cross leak. Thereby, the power generation performance of the fuel cell can be further improved while ensuring the desired handling property.

本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a part of a structure of a fuel cell having an electrode-membrane-frame assembly according to a first embodiment of the present invention. 図1の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the electrode-membrane-frame assembly in FIG. 1. 図1のII−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of FIG. 図1の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図である。It is a top view which shows the surface structure by the side of the anode separator of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 図1の電極−膜−枠接合体のカソードパレータ側の表面構造を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the surface structure of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 1 on the cathode palator side. 枠体のハンドリング部が保持部材に保持されている様子を示す側面図である。It is a side view which shows a mode that the handling part of a frame is hold | maintained at the holding member. 枠体のハンドリング部が図6とは別の保持部材に保持されている様子を示す側面図である。It is a side view which shows a mode that the handling part of a frame is hold | maintained at the holding member different from FIG. 本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造工程を、MEAの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。It is a schematic cross section which expands and shows the manufacturing process of the electrode-membrane-frame assembly concerning 1st Embodiment of this invention, and the junction part of the peripheral part of MEA and a frame. 図8Aに続く工程を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the process of following FIG. 8A. 図8Bに続く工程を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the process of following FIG. 8B. 本発明の第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the electrode-membrane-frame assembly concerning 2nd Embodiment of this invention. 図9のIV−IV線断面図である。It is the IV-IV sectional view taken on the line of FIG. 本発明の第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造工程を、MEAの周縁部と枠体との接合部分を拡大して示す模式断面図である。It is a schematic cross section which expands and shows the manufacturing process of the electrode-membrane-frame assembly concerning 2nd Embodiment of this invention, and the junction part of the peripheral part of MEA and a frame. 図11Aに続く工程を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the process of following FIG. 11A. 図11Bに続く工程を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the process following FIG. 11B. 図11Cに続く工程を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the process of following FIG. 11C. 本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の変形例を模式的に示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing typically the modification of the electrode-membrane-frame assembly concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の変形例を模式的に示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing typically the modification of the electrode-membrane-frame assembly concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の実施例にかかる電極−膜−枠接合体の平面図である。It is a top view of the electrode-membrane-frame assembly concerning the Example of this invention. 図14のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 図14のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG.

本発明者らは従来の燃料電池においては十分な発電性能が得られない原因を鋭意検討した。その結果以下の知見を得た。   The present inventors diligently studied the cause of insufficient power generation performance in the conventional fuel cell. As a result, the following knowledge was obtained.

枠体は、セルの組立時などにおけるMEAのハンドリング性を向上させるために設けられるものであるため、高い強度が求められる。このため、枠体は、例えば、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂にガラスフィラーなどの無機系の補強材を混在させることにより構成されている。しかしながら、ガラスフィラーなどの補強材を混在させた熱可塑性樹脂を用いて二次成形体を射出成形すると、射出圧力により補強材が高分子電解質膜を傷つけて、高分子電解質膜が劣化するおそれがある。高分子電解質膜が劣化した場合、クロスリーク(ガスの短絡)が発生し、燃料電池の発電性能が低下することになる。
これらの点を踏まえて、発明者らは以下の本発明に至った。
Since the frame is provided in order to improve the handling property of the MEA at the time of assembling the cell, high strength is required. For this reason, the frame is configured, for example, by mixing an inorganic reinforcing material such as a glass filler in a thermoplastic resin such as polypropylene. However, when a secondary molded body is injection molded using a thermoplastic resin mixed with a reinforcing material such as a glass filler, the reinforcing material may damage the polymer electrolyte membrane due to the injection pressure, and the polymer electrolyte membrane may be deteriorated. is there. When the polymer electrolyte membrane deteriorates, a cross leak (gas short circuit) occurs and the power generation performance of the fuel cell decreases.
Based on these points, the inventors have reached the present invention described below.

本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜の第1の主面に配置された第1触媒層と、前記第1触媒層の主面に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の第2の主面に配置された第2触媒層と、前記第2触媒層の主面に配置された第2ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に樹脂製の枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、互いに異なる樹脂材料で構成された額縁状のハンドリング部と額縁状のリーク防止部と、を有し、
前記ハンドリング部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記ハンドリング部の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第1の主面側に配置され、
前記リーク防止部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記リーク防止部の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第2の主面側に配置されている、
電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the first aspect of the present invention, the first catalyst layer disposed on the first main surface of the polymer electrolyte membrane, the first gas diffusion layer disposed on the main surface of the first catalyst layer, A membrane electrode assembly having a second catalyst layer disposed on the second main surface of the electrolyte membrane and a second gas diffusion layer disposed on the main surface of the second catalyst layer is made of resin at a peripheral portion. An electrode-membrane-frame assembly in which a frame is formed,
The frame has a frame-shaped handling portion and a frame-shaped leak prevention portion made of different resin materials,
The handling portion is disposed on the first main surface side of the electrolyte membrane so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane and an inner edge portion of the handling portion overlap when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The leak prevention portion is disposed on the second main surface side of the electrolyte membrane so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane and an inner edge portion of the leak prevention portion overlap each other when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. Yes,
An electrode-membrane-frame assembly is provided.

本発明の第2態様によれば、前記リーク防止部の弾性率は、前記ハンドリング部の弾性率よりも低い、第1態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the electrode-membrane-frame assembly according to the first aspect, wherein an elastic modulus of the leak preventing portion is lower than an elastic modulus of the handling portion.

本発明の第3態様によれば、前記第2触媒層の周縁部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第2ガス拡散層の周縁部よりも外側に配置され、当該第2触媒層の周縁部の主面には前記リーク防止部を構成する樹脂材料の一部が混在している、第1又は2態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。   According to the third aspect of the present invention, the peripheral edge portion of the second catalyst layer is disposed outside the peripheral edge portion of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, and the second catalyst layer The electrode-membrane-frame assembly according to the first or second aspect is provided in which a part of the resin material constituting the leak preventing portion is mixed on the main surface of the peripheral portion of the layer.

本発明の第4態様によれば、前記第1触媒層の周縁部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第1ガス拡散層の周縁部よりも外側に配置され、当該第1触媒層の周縁部の主面には前記ハンドリング部を構成する樹脂材料の一部が混在していない、第3態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。   According to the fourth aspect of the present invention, the peripheral portion of the first catalyst layer is disposed outside the peripheral portion of the first gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, and the first catalyst layer The electrode-membrane-frame assembly according to the third aspect is provided, in which a part of the resin material constituting the handling portion is not mixed on the main surface of the peripheral portion of the layer.

本発明の第5態様によれば、前記ハンドリング部は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記リーク防止部は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
第1〜4態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to a fifth aspect of the present invention, the handling part is made of a thermoplastic resin,
The leak prevention part is made of a thermoplastic elastomer,
The electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to fourth aspects is provided.

本発明の第6態様によれば、前記ハンドリング部は、無機系の補強材を含み、
前記リーク防止部は、前記ハンドリング部よりも低い含有率で前記無機系の補強材の含む、第1〜5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the sixth aspect of the present invention, the handling part includes an inorganic reinforcing material,
The leak prevention part provides the electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to fifth aspects, which is included in the inorganic reinforcing material at a lower content than the handling part.

本発明の第7態様によれば、前記リーク防止部は、前記無機系の補強材を含まない、第6態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the electrode-membrane-frame assembly according to the sixth aspect, wherein the leak preventing part does not include the inorganic reinforcing material.

本発明の第8態様によれば、前記ハンドリング部を構成する樹脂材料と前記リーク防止部を構成する樹脂材料とは、少なくとも一種の同一成分を含む、第1〜7態様のいずれか1つに記載に電極−膜−枠接合体を提供する。   According to the eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the resin material constituting the handling part and the resin material constituting the leak prevention part include at least one type of the same component. The description provides an electrode-membrane-frame assembly.

本発明の第9態様によれば、前記ハンドリング部は、オレフィン系熱可塑性樹脂で構成され、
前記リーク防止部は、オレフィン系熱可塑性エラストマーで構成されている、
第1〜8態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the ninth aspect of the present invention, the handling part is composed of an olefinic thermoplastic resin,
The leak prevention part is composed of an olefin-based thermoplastic elastomer,
The electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to eighth aspects is provided.

本発明の第10態様によれば、第1〜9態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池を提供する。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising the electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to ninth aspects.

本発明の第11態様によれば、高分子電解質膜の第1の主面に配置された第1触媒層と、前記第1触媒層の主面に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の第2の主面に配置された第2触媒層と、前記第2触媒層の主面に配置された第2ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記枠体の一部を構成する額縁状のハンドリング部の内縁部とが重なるように、樹脂材料を用いて前記電解質膜の第1の主面側に前記ハンドリング部を形成する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記枠体の他部を構成する額縁状のリーク防止部の内縁部とが重なるように、前記ハンドリング部を構成する前記樹脂材料よりも弾性率が低い樹脂材料を用いて前記電解質膜の第2の主面側に前記リーク防止部を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
According to an eleventh aspect of the present invention, the first catalyst layer disposed on the first main surface of the polymer electrolyte membrane, the first gas diffusion layer disposed on the main surface of the first catalyst layer, A frame body is provided at a peripheral portion of a membrane electrode assembly having a second catalyst layer disposed on the second main surface of the electrolyte membrane and a second gas diffusion layer disposed on the main surface of the second catalyst layer. A method for producing a formed electrode-membrane-frame assembly, comprising:
The manufacturing method includes:
When viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, a resin material is used so that the peripheral edge portion of the electrolyte membrane and the inner edge portion of the frame-shaped handling portion constituting a part of the frame body overlap each other. Forming the handling part on the main surface side of 1,
The resin material that constitutes the handling portion so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane overlaps with an inner edge portion of a frame-shaped leak prevention portion that constitutes the other portion of the frame body as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. Forming the leak preventing portion on the second main surface side of the electrolyte membrane using a resin material having a lower elastic modulus than
A method for producing an electrode-membrane-frame assembly is provided.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

《第1実施形態》
図1〜図5を用いて、本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を説明する。図1は、本第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図2は、図1の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、図3は、図1のII−II線断面図である。図4は、図1の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図である。図5は、図1の電極−膜−枠接合体のカソードパレータ側の表面構造を示す平面図である。
<< First Embodiment >>
The structure of the fuel cell having the electrode-membrane-frame assembly according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of the structure of a fuel cell having an electrode-membrane-frame assembly according to the first embodiment. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. FIG. 4 is a plan view showing the surface structure of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 1 on the anode separator side. FIG. 5 is a plan view showing the surface structure of the electrode-membrane-frame assembly of FIG.

本第1実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質形燃料電池である。なお、本発明は高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。   The fuel cell according to the first embodiment is a polymer that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. This is an electrolyte fuel cell. The present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and can be applied to various fuel cells.

図1に示すように、燃料電池は、基本単位構成であるセル(単電池モジュール)10を複数個(例えば60個)積層させて構成されている。なお、図示していないが、積層されたセル10群の両端部には、集電板、絶縁板、及びエンドプレートが取り付けられ、締結ボルトがボルト孔4を挿通されナットで固定されることにより、各セル10が所定の締結力(例えば10kN)で締結されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell is configured by stacking a plurality (for example, 60) of cells (unit cell modules) 10 that are basic unit configurations. Although not shown, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are attached to both ends of the stacked cells 10 group, and fastening bolts are inserted through the bolt holes 4 and fixed with nuts. Each cell 10 is fastened with a predetermined fastening force (for example, 10 kN).

セル10は、電極−膜−枠接合体1を、一対の導電性のセパレータであるアノードセパレータ2及びカソードセパレータ3で挟んで構成されている。電極−膜−枠接合体1は、図2又は図3に示すように、膜電極接合体5(以下、MEAという)と、MEA5の周縁部5Eを封止保持するように形成された枠体6とを備えている。   The cell 10 is configured by sandwiching the electrode-membrane-frame assembly 1 between an anode separator 2 and a cathode separator 3 which are a pair of conductive separators. As shown in FIG. 2 or 3, the electrode-membrane-frame assembly 1 is a frame formed so as to seal and hold the membrane electrode assembly 5 (hereinafter referred to as MEA) and the peripheral portion 5E of the MEA 5. 6 is provided.

アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6には、それぞれ、図1に示すように、燃料ガスが流通する一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔12,22,32が設けられている。また、アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6には、それぞれ、図1に示すように、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔13,23,33が設けられている。アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6が、セル10として締結された状態では、燃料ガスマニホールド孔12,22,32が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6が、セル10として締結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔13,23,33が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。   As shown in FIG. 1, each of the anode separator 2, the cathode separator 3, and the frame 6 is provided with fuel gas manifold holes 12, 22, and 32, which are a pair of through holes through which fuel gas flows. Further, as shown in FIG. 1, the anode separator 2, the cathode separator 3 and the frame 6 are provided with oxidant gas manifold holes 13, 23 and 33, respectively, which are a pair of through holes through which the oxidant gas flows. It has been. In a state where the anode separator 2, the cathode separator 3, and the frame 6 are fastened as the cell 10, the fuel gas manifold holes 12, 22, and 32 are connected to form a fuel gas manifold. Similarly, when the anode separator 2, the cathode separator 3, and the frame 6 are fastened as the cell 10, the oxidant gas manifold holes 13, 23, and 33 are connected to form an oxidant gas manifold.

また、アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6には、図1に示すように、冷却媒体(例えば、純水やエチレングリコール)が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔14,24,34が設けられている。これによって、アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6が、セル10として締結された状態では、これらの冷却媒体マニホールド孔14,24,34が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。   Further, as shown in FIG. 1, the anode separator 2, the cathode separator 3, and the frame 6 have cooling medium manifold holes that are two pairs of through holes through which a cooling medium (for example, pure water or ethylene glycol) flows. 14, 24 and 34 are provided. As a result, in a state where the anode separator 2, the cathode separator 3, and the frame 6 are fastened as the cell 10, these cooling medium manifold holes 14, 24, and 34 are connected to form two pairs of cooling medium manifolds. The

また、アノードセパレータ2、カソードセパレータ3、及び枠体6には、図1に示すように、それぞれの角部の近傍に4つのボルト孔4が設けられている。各ボルト孔4に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって各セル10が締結される。   Further, as shown in FIG. 1, the anode separator 2, the cathode separator 3, and the frame body 6 are provided with four bolt holes 4 in the vicinity of each corner portion. A fastening bolt is inserted into each bolt hole 4, and each cell 10 is fastened by coupling a nut to the fastening bolt.

アノードセパレータ2の内側の主面(電極−膜−枠接合体1側の面)には、一対の燃料ガスマニホールド孔22,22間を結ぶように燃料ガス流路溝21が設けられている。カソードセパレータ3の内側の主面(電極−膜−枠接合体1側の面)には、一対の酸化剤ガスマニホールド孔33,33間を結ぶように酸化剤ガス流路溝31が設けられている。燃料ガスが燃料ガス流路溝21を通じて後述するMEA5の第1ガス拡散層5C1に供給されるとともに、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路溝31を通じて後述するMEA5の第2ガス拡散層5C2に供給されることにより、燃料電池の電気化学反応が生じる。これにより、電力と熱とが同時に発生する。なお、図4において、一点破線は、燃料ガスの流れ方向を示している。また、図5において、一点破線は、酸化剤ガスの流れ方向を示している。なお、図4及び図5では、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れ方向が蛇行するように示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れ方向が直線状となるように、燃料ガス流路溝21及び酸化剤ガス流路溝31が形成されてもよい。   A fuel gas passage groove 21 is provided on the inner main surface of the anode separator 2 (surface on the electrode-membrane-frame assembly 1 side) so as to connect the pair of fuel gas manifold holes 22, 22. An oxidant gas channel groove 31 is provided on the inner main surface of the cathode separator 3 (surface on the electrode-membrane-frame assembly 1 side) so as to connect the pair of oxidant gas manifold holes 33 and 33. Yes. The fuel gas is supplied to the first gas diffusion layer 5C1 of the MEA 5 to be described later through the fuel gas channel groove 21, and the oxidant gas is supplied to the second gas diffusion layer 5C2 of the MEA 5 to be described later through the oxidant gas channel groove 31. As a result, an electrochemical reaction of the fuel cell occurs. Thereby, electric power and heat are generated simultaneously. In FIG. 4, the one-dot broken line indicates the flow direction of the fuel gas. Moreover, in FIG. 5, the one-dot broken line has shown the flow direction of oxidizing gas. 4 and 5 show that the flow directions of the fuel gas and the oxidant gas meander, the present invention is not limited to this. For example, the fuel gas channel groove 21 and the oxidant gas channel groove 31 may be formed so that the flow directions of the fuel gas and the oxidant gas are linear.

また、アノードセパレータ2及びカソードセパレータ3の外側の主面(背面)には、図示していないが、それぞれ冷却媒体流路溝が形成されている。冷却媒体流路溝は、二対の冷却媒体マニホールド孔24,34間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路溝に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、セル10を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。   Moreover, although not shown in figure, the cooling medium flow path groove | channel is formed in the outer main surface (back surface) of the anode separator 2 and the cathode separator 3, respectively. The cooling medium flow channel is formed so as to connect the two pairs of cooling medium manifold holes 24 and 34. That is, the cooling medium is configured to branch from the cooling medium manifold on the supply side to the cooling medium flow channel and to flow to the cooling medium manifold on the discharge side. Thereby, the cell 10 is maintained at a predetermined temperature suitable for the electrochemical reaction by utilizing the heat transfer capability of the cooling medium.

なお、前記各孔及び各溝は、例えば、切削加工、成形加工により形成することができる。また、前記各マニホールドは、前記構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各マニホールドを、いわゆる外部マニホールド構造としてもよい。なお、図2及び図3では、各孔の図示を省略している。   In addition, each said hole and each groove | channel can be formed by cutting process and a shaping | molding process, for example. Moreover, each said manifold is not limited to the said structure, A various deformation | transformation is possible. For example, each manifold may have a so-called external manifold structure. 2 and 3, illustration of each hole is omitted.

MEA5は、図3に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜5Aと、当該電解質膜5Aの両面に形成された一対の第1及び第2電極層5D1,5D2(すなわち、アノードとカソードの電極層)とで構成されている。第1電極層5D1は、第1触媒層5B1と第1ガス拡散層5C1との2層構造で構成されている。同様に、第2電極層5D2は、第2触媒層5B2と第2ガス拡散層5C2との2層構造で構成されている。   As shown in FIG. 3, the MEA 5 includes a polymer electrolyte membrane 5A that selectively transports hydrogen ions, and a pair of first and second electrode layers 5D1 and 5D2 (that is, formed on both surfaces of the electrolyte membrane 5A). Anode electrode layer and cathode electrode layer). The first electrode layer 5D1 has a two-layer structure of a first catalyst layer 5B1 and a first gas diffusion layer 5C1. Similarly, the second electrode layer 5D2 has a two-layer structure of a second catalyst layer 5B2 and a second gas diffusion layer 5C2.

高分子電解質膜5Aは、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜(デュポン社製ナフィオン膜)で構成されている。第1及び第2触媒層5B1,5B2は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とした多孔質な部材であり、高分子電解質膜5Aの第1の主面又は第2の主面に形成されている。   The polymer electrolyte membrane 5A is composed of a solid polymer material exhibiting proton conductivity, for example, a perfluorosulfonic acid membrane (Nafion membrane manufactured by DuPont). The first and second catalyst layers 5B1 and 5B2 are, for example, porous members mainly composed of carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, and the first main surface or the second main surface of the polymer electrolyte membrane 5A. Formed on the surface.

第1ガス拡散層5C1は、燃料ガスの通気性と電子伝導性の両方を有し、第1触媒層5B1の主面に形成されている。第1ガス拡散層5C1は、第1触媒層5B1よりも外形サイズが小さく、第1触媒層5B1の周縁部が露出するように第1触媒層5B1の主面に配置されている。すなわち、第1触媒層5B1の周縁部は、高分子電解質膜5Aの厚み方向から見て、第1ガス拡散層5C1の周縁部よりも外側に配置されている。第2ガス拡散層5C2は、酸化剤ガスの通気性と電子伝導性の両方を有し、第2触媒層5B2の主面に形成されている。第2ガス拡散層5C2は、第2触媒層5B2よりも外形サイズが小さく、第2触媒層5B2の周縁部が露出するように第2触媒層5B2の主面に配置されている。すなわち、第2触媒層5B2の周縁部は、高分子電解質膜5Aの厚み方向から見て、第2ガス拡散層5C2の周縁部よりも外側に配置されている。   The first gas diffusion layer 5C1 has both fuel gas permeability and electron conductivity, and is formed on the main surface of the first catalyst layer 5B1. The first gas diffusion layer 5C1 has a smaller outer size than the first catalyst layer 5B1, and is disposed on the main surface of the first catalyst layer 5B1 so that the peripheral edge of the first catalyst layer 5B1 is exposed. That is, the peripheral edge portion of the first catalyst layer 5B1 is disposed outside the peripheral edge portion of the first gas diffusion layer 5C1 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 5A. The second gas diffusion layer 5C2 has both oxidant gas permeability and electron conductivity, and is formed on the main surface of the second catalyst layer 5B2. The second gas diffusion layer 5C2 has a smaller outer size than the second catalyst layer 5B2, and is disposed on the main surface of the second catalyst layer 5B2 so that the peripheral edge of the second catalyst layer 5B2 is exposed. That is, the peripheral edge portion of the second catalyst layer 5B2 is disposed outside the peripheral edge portion of the second gas diffusion layer 5C2 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 5A.

第1及び第2ガス拡散層5C1,5C2としては、例えば、基材として炭素繊維を用いず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成された多孔質部材を用いることができる。また、第1及び第2ガス拡散層5C1,5C2として、例えば、ガス透過性を持たせるために、カーボン織布又はカーボン不織布等を用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。   As the first and second gas diffusion layers 5C1 and 5C2, for example, a porous member composed mainly of conductive particles and a polymer resin can be used without using carbon fiber as a base material. In addition, as the first and second gas diffusion layers 5C1 and 5C2, for example, a conductive base material having a porous structure, which is manufactured using a carbon woven fabric or a carbon non-woven fabric in order to provide gas permeability. It may be used.

枠体6は、図2及び図3に示すように、異なる樹脂材料にて射出成形されたハンドリング部61とリーク防止部62の2つの額縁状の成形体で構成されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the frame body 6 is composed of two frame-shaped molded bodies including a handling portion 61 and a leak prevention portion 62 that are injection-molded with different resin materials.

ハンドリング部61は、図6又は図7に示すように、セル10の組立時などにおいて電極−膜−枠接合体1を移動させる保持部材70a又は70bに保持される部分である。このため、ハンドリング部61は、電極−膜−枠接合体1としての形状を維持できる強度、すなわち電極−膜−枠接合体1の撓みや折れ曲がりなどを抑えることができる強度を有している。なお、保持部材70a又は70bに直接保持されるハンドリング部61の被保持部61bの面方向の長さL1が短すぎると、保持部材70a又は70bにより保持されることが困難であるとともに、所望の強度を確保することが困難である。また、特に、被保持部61bの長さL1が7.0mm未満であると、ハンドリング部61の射出成形時に樹脂が流れにくくなり、成形が困難である。このため、被保持部61bの長さL1は、8.0mm以上確保することが好ましい。   As shown in FIG. 6 or 7, the handling unit 61 is a part that is held by a holding member 70 a or 70 b that moves the electrode-membrane-frame assembly 1 when the cell 10 is assembled. For this reason, the handling part 61 has the intensity | strength which can maintain the shape as the electrode-membrane-frame assembly 1, ie, the intensity | strength which can suppress a bending, bending, etc. of the electrode-membrane-frame assembly 1. FIG. If the length L1 in the surface direction of the held portion 61b of the handling portion 61 that is directly held by the holding member 70a or 70b is too short, it is difficult to be held by the holding member 70a or 70b, and the desired length It is difficult to ensure strength. In particular, when the length L1 of the held portion 61b is less than 7.0 mm, it becomes difficult for the resin to flow during the injection molding of the handling portion 61, and the molding is difficult. For this reason, the length L1 of the held portion 61b is preferably secured to 8.0 mm or more.

また、ハンドリング部61は、略L字状の断面を有し、第1ガス拡散層5C1に近接して第1触媒層5B1の周縁部上に配置されている。すなわち、ハンドリング部61は、高分子電解質膜5Aの厚み方向から見て、高分子電解質膜5Aとハンドリング部61の内縁部(内側のエッジ近傍部分)61aとが重なるように、高分子電解質膜5Aの第1の主面側(図3では下側)に配置されている。また、ハンドリング部61は、樹脂材料を用いて射出成形にて形成されている。このハンドリング部61の射出成形は、第1触媒層5B1の周縁部上に配置される前に予め行われている。従って、ハンドリング部61の射出成形時の射出圧力が高分子電解質膜5Aに加わることがないので、高分子電解質膜5Aの劣化を抑えることができる。   Moreover, the handling part 61 has a substantially L-shaped cross section, and is disposed on the peripheral edge of the first catalyst layer 5B1 in the vicinity of the first gas diffusion layer 5C1. That is, the handling unit 61 is configured such that the polymer electrolyte membrane 5A overlaps the polymer electrolyte membrane 5A and the inner edge portion (a portion near the inner edge) 61a of the handling unit 61 when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 5A. Are arranged on the first main surface side (the lower side in FIG. 3). The handling part 61 is formed by injection molding using a resin material. The injection molding of the handling portion 61 is performed in advance before being disposed on the peripheral edge portion of the first catalyst layer 5B1. Therefore, since the injection pressure at the time of injection molding of the handling part 61 is not applied to the polymer electrolyte membrane 5A, deterioration of the polymer electrolyte membrane 5A can be suppressed.

ハンドリング部61の射出成形に用いる樹脂材料は、化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂であることが好ましく、その中でも機械的強度が大きく且つ耐熱性が高い熱可塑性樹脂であることが好ましい。例えば、前記熱可塑性樹脂として、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのもの、例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリスチレン(PS)、シンジオタクチックポリスチレン樹脂(SPS)などが好適である。これらは、数千から数万MPaの圧縮弾性率と、150℃以上の荷重たわみ温度を有しており、前記熱可塑性樹脂として好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、当該樹脂材料に無機系の補強材を混在させることで、強度を強化することができる。無機系の補強材として、例えば、ガラス繊維、ガラスフィラー、炭酸カルシウム、塩基性炭酸マグネシウム、バイロフィライト、亜鉛華、タルク、マイカ、硫酸バリウム、ケイ酸、ケイ酸塩、カオリンクレーなどが好適である。例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン(GFPP)は、非充填のポリプロピレン(圧縮弾性率1,000〜1,500MPa)の数倍の弾性率を有し且つ150℃近い荷重たわみ温度を有している。従って、前記熱可塑性樹脂として好適に使用することができる。   The resin material used for injection molding of the handling part 61 is preferably a crystalline resin rather than an amorphous resin from the viewpoint of chemical stability, and among them, a thermoplastic resin having high mechanical strength and high heat resistance. It is preferable that For example, as the thermoplastic resin, a so-called super engineering plastic grade resin such as polyphenylene sulfide (PPS), polyether ether ketone (PEEK), liquid crystal polymer (LCP), polyether nitrile (PEN), polystyrene (PS), Shinji An tactic polystyrene resin (SPS) or the like is preferable. These have a compression modulus of several thousand to several tens of thousands of MPa and a deflection temperature under load of 150 ° C. or more, and are suitable materials for the thermoplastic resin. Moreover, even if it is a resin material currently used widely, intensity | strength can be strengthened by mixing an inorganic type reinforcing material with the said resin material. As the inorganic reinforcing material, for example, glass fiber, glass filler, calcium carbonate, basic magnesium carbonate, virophilite, zinc white, talc, mica, barium sulfate, silicic acid, silicate, kaolin clay, etc. are suitable. is there. For example, polypropylene filled with glass filler (GFPP) has a modulus of elasticity several times that of unfilled polypropylene (compression modulus of 1,000 to 1,500 MPa) and has a deflection temperature under load close to 150 ° C. Yes. Therefore, it can be suitably used as the thermoplastic resin.

リーク防止部62は、略矩形の断面を有し、第2ガス拡散層5C2に近接して第2触媒層5B2の周縁部上に配置されている。すなわち、リーク防止部62は、高分子電解質膜5Aの厚み方向から見て、高分子電解質膜5Aとリーク防止部62の内縁部62aとが重なるように、高分子電解質膜5Aの第2の主面側(図3では上側)に配置されている。リーク防止部62は、ハンドリング部61とは異なる樹脂材料を用いて射出成形にて形成されている。このリーク防止部62の射出成形は、ハンドリング部61上にMEA5を配置した後に行われ、これにより、リーク防止部62とハンドリング部61とが一体化されて枠体6が構成される。   The leak prevention unit 62 has a substantially rectangular cross section, and is disposed on the periphery of the second catalyst layer 5B2 in the vicinity of the second gas diffusion layer 5C2. That is, the leak preventing unit 62 is configured such that the polymer electrolyte membrane 5A and the inner edge 62a of the leak preventing unit 62 overlap each other when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 5A. It is arranged on the surface side (upper side in FIG. 3). The leak prevention unit 62 is formed by injection molding using a resin material different from that of the handling unit 61. The injection molding of the leak preventing unit 62 is performed after the MEA 5 is disposed on the handling unit 61, whereby the leak preventing unit 62 and the handling unit 61 are integrated to form the frame body 6.

なお、リーク防止部62を射出成形するとき、リーク防止部62を構成する樹脂材料の一部を多孔質である第2触媒層5B2の周縁部の主面に混在させることが好ましい。これにより、リーク防止部62と第2触媒層5B2との密着性を高めて、枠体6とMEA5との接合力を強化することができる。なお、ハンドリング部61は、予め射出成形するようにしているので、ハンドリング部61を構成する樹脂材料の一部は第1触媒層5B1の周縁部の主面に混在しない。   In addition, when the leak prevention part 62 is injection-molded, it is preferable to mix a part of resin material which comprises the leak prevention part 62 in the main surface of the peripheral part of 2nd catalyst layer 5B2 which is porous. Thereby, the adhesiveness of the leak prevention part 62 and 2nd catalyst layer 5B2 can be improved, and the joining force of the frame 6 and MEA5 can be strengthened. In addition, since the handling part 61 is previously injection-molded, a part of resin material which comprises the handling part 61 is not mixed in the main surface of the peripheral part of 1st catalyst layer 5B1.

リーク防止部62は、図6又は図7に示すように、組立時などにおいて保持部材70a,70bに保持されない部分である。従って、枠体6の形状を維持するほど強度を強くする必要はないので、リーク防止部62は、ハンドリング部61よりも弾性率が低い(柔らかい)樹脂材料、例えば熱可塑性エラストマーにて形成されている。これにより、セル10を加圧締結する際に、リーク防止部62に近接するMEA5の周縁部5Eにかかる機械的ストレス(局所荷重)を低減することができ、高分子電解質膜5Aの劣化によるクロスリークを防止することができる。また、リーク防止部62の弾性率が低い(柔らかい)ことで、締結荷重に応じた反力が発生しやすくなり、反応ガスのシール性が高くなって、リーク防止効果が高くなる。なお、リーク防止部62を比較的弾性率が高い(硬い)材料で形成した場合には、セル10の加圧締結の際にMEA5の周縁部5Eにかかる機械的ストレスが大きくなり、高分子電解質膜5Aが傷つきやすくなる。   As shown in FIG. 6 or FIG. 7, the leak preventing portion 62 is a portion that is not held by the holding members 70a and 70b during assembly or the like. Accordingly, since it is not necessary to increase the strength to maintain the shape of the frame body 6, the leak preventing portion 62 is formed of a resin material having a lower elastic modulus (softer) than the handling portion 61, for example, a thermoplastic elastomer. Yes. Thereby, when the cell 10 is pressure-fastened, mechanical stress (local load) applied to the peripheral portion 5E of the MEA 5 adjacent to the leak preventing portion 62 can be reduced, and crossing due to deterioration of the polymer electrolyte membrane 5A can be achieved. Leakage can be prevented. Further, since the elastic modulus of the leak preventing portion 62 is low (soft), a reaction force corresponding to the fastening load is likely to be generated, and the sealing performance of the reactive gas is enhanced, and the leak preventing effect is enhanced. In the case where the leak preventing portion 62 is formed of a material having a relatively high elastic modulus (hard), mechanical stress applied to the peripheral portion 5E of the MEA 5 at the time of pressure fastening of the cell 10 increases, and the polymer electrolyte The film 5A is easily damaged.

また、一般的に、樹脂材料の弾性率は、無機系の補強材の量が少ないほど低くなる。従って、リーク防止部62中の補強材の含有量をハンドリング部61よりも小さくすることによって、リーク防止部62の弾性率をハンドリング部61よりも低くすることができる。これにより、リーク防止部62中の補強材によって高分子電解質膜5Aが劣化することを抑えることができ、クロスリークを防止することができる。なお、リーク防止部62は、無機系の補強材を全く含まなくてもよい。これにより、高分子電解質膜5Aの劣化をより一層抑えることができる。   In general, the elastic modulus of the resin material decreases as the amount of the inorganic reinforcing material decreases. Therefore, the elastic modulus of the leak prevention unit 62 can be made lower than that of the handling unit 61 by making the content of the reinforcing material in the leak prevention unit 62 smaller than that of the handling unit 61. Thereby, it can suppress that polymer electrolyte membrane 5A deteriorates with the reinforcing material in the leak prevention part 62, and can prevent a cross leak. The leak prevention unit 62 may not include any inorganic reinforcing material. Thereby, deterioration of the polymer electrolyte membrane 5A can be further suppressed.

なお、リーク防止部62によりMEA5の周縁部5Eの全体を覆うことができるように、リーク防止部62の面方向の長さL3は、4.0mm以上確保することが好ましい。また、リーク防止部62とハンドリング部61との面方向の接合長さL2は、短すぎると、クロスリークが発生するおそれがあるため、1.0mm以上確保することが好ましい。   In addition, it is preferable that the length L3 in the surface direction of the leak prevention unit 62 is 4.0 mm or more so that the leak prevention unit 62 can cover the entire peripheral portion 5E of the MEA 5. Further, if the joining length L2 in the surface direction between the leak preventing portion 62 and the handling portion 61 is too short, there is a possibility that cross leak may occur. Therefore, it is preferable to secure 1.0 mm or more.

リーク防止部62の射出成形に用いる樹脂材料としては、例えば、オレフィン系エラストマー(TPO)、スチレン系エラストマー(TPS)、ポリエステル系エラストマー(TPEE)、ポリウレタン系エラストマー(TPU)、ナイロン系エラストマー(TPA)などが好適である。オレフィン系エラストマーは、ポリプロピレン(PP)とエチレン・プロピレンゴム(EPM)又はエチレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDM)とを混合して構成されたものである。スチレン系エラストマーは、ポリスチレン(PS)とポリブタジエン又はポリイソプレンとを共重合させて構成したものである。   Examples of the resin material used for the injection molding of the leak prevention unit 62 include olefin elastomer (TPO), styrene elastomer (TPS), polyester elastomer (TPEE), polyurethane elastomer (TPU), and nylon elastomer (TPA). Etc. are suitable. The olefin-based elastomer is constituted by mixing polypropylene (PP) and ethylene / propylene rubber (EPM) or ethylene / propylene / diene rubber (EPDM). The styrene elastomer is constituted by copolymerizing polystyrene (PS) and polybutadiene or polyisoprene.

また、一般的に、同質の樹脂材料同士を接合する方が異質の樹脂材料同士を接合するよりも接合力は強い。このため、リーク防止部62に用いる樹脂材料としては、ハンドリング部61に用いる樹脂材料と同質成分を含むものが好ましい。例えば、ハンドリング部61にガラスフィラーが充填されたポリプロピレン(GFPP)などのオレフィン系熱可塑性樹脂を使用する場合、リーク防止部62にはサントプレーン(AESジャパン製:登録商標)などのオレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)を使用することが好適である。また、ハンドリング部61にポリスチレン(PS)を使用する場合、リーク防止部62にはスチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)を使用することが好適である。   Moreover, generally, the joining force is stronger in joining the same resin materials than in joining the different resin materials. For this reason, as a resin material used for the leak prevention part 62, what contains the same homogeneous component as the resin material used for the handling part 61 is preferable. For example, when an olefinic thermoplastic resin such as polypropylene (GFPP) filled with a glass filler is used for the handling part 61, an olefinic thermoplastic such as santoprene (manufactured by AES Japan: registered trademark) is used for the leak prevention part 62. It is preferred to use an elastomer (TPO). When polystyrene (PS) is used for the handling part 61, it is preferable to use a styrene-based thermoplastic elastomer (TPS) for the leak prevention part 62.

次に、電極−膜−枠接合体1の製造方法について説明する。図8A〜図8Cは、電極−膜−枠接合体1の各製造工程を、MEA5の周縁部5Eと枠体6との接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、ハンドリング部61は予め射出成形され、MEA5は予め作製されているものとする。   Next, a method for manufacturing the electrode-membrane-frame assembly 1 will be described. 8A to 8C are schematic cross-sectional views showing the manufacturing steps of the electrode-membrane-frame assembly 1 by enlarging the joint portion between the peripheral edge portion 5E of the MEA 5 and the frame body 6. FIG. Here, it is assumed that the handling unit 61 is injection-molded in advance and the MEA 5 is manufactured in advance.

まず、図8Aに示すように、MEA5の第1ガス拡散層5C1に近接して第1触媒層5B1の周縁部上にハンドリング部61を配置する。なお、このとき、ハンドリング部61は予め射出成形されているので、樹脂材料が無機系の補強材を含んでいたとしても、高分子電解質膜5Aが劣化することはない。また、ハンドリング部61を構成する樹脂材料の一部が、第1触媒層5B1の周縁部の主面に混在することもない。   First, as illustrated in FIG. 8A, the handling unit 61 is disposed on the peripheral portion of the first catalyst layer 5B1 in the vicinity of the first gas diffusion layer 5C1 of the MEA5. At this time, since the handling part 61 is injection-molded in advance, the polymer electrolyte membrane 5A does not deteriorate even if the resin material includes an inorganic reinforcing material. Further, a part of the resin material constituting the handling part 61 is not mixed on the main surface of the peripheral edge part of the first catalyst layer 5B1.

次いで、図8Bに示すように、一対の金型T1でハンドリング部61及びMEA5を挟み、一対の金型T1内に形成されたハンドリング部61とMEA5との隙間に溶融した樹脂材料を流し込む。これにより、図8Cに示すように、MEA5の第2ガス拡散層5C2に近接して第2触媒層5B2の周縁部上にリーク防止部62が形成される。また、このとき、リーク防止部62とハンドリング部61とが一体化し、枠体6が構成される。これにより、電極−膜−枠接合体1の製造が完了する。   Next, as shown in FIG. 8B, the handling part 61 and the MEA 5 are sandwiched between the pair of molds T1, and the molten resin material is poured into the gap between the handling part 61 and the MEA 5 formed in the pair of molds T1. As a result, as shown in FIG. 8C, the leak preventing portion 62 is formed on the peripheral portion of the second catalyst layer 5B2 in the vicinity of the second gas diffusion layer 5C2 of the MEA5. At this time, the leak preventing unit 62 and the handling unit 61 are integrated to form the frame body 6. Thereby, manufacture of the electrode-membrane-frame assembly 1 is completed.

なお、前記射出成形時において、リーク防止部62を構成する樹脂材料の一部を第2触媒層5B2の周縁部の一部に混在させることで、リーク防止部62と第2触媒層5B2との密着性が高まり、枠体6とMEA5との接合力が強化される。また、多孔質な第2触媒層5B2中に樹脂材料を混在させることで、第2触媒層5B2の細孔量が減少して、反応ガスが第2触媒層5B2中で拡散することが抑制される。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの接触を抑制することが可能となる。また、前記射出成形時において、MEA5の周縁部5Eには射出圧力が加わるが、リーク防止部62の射出成形に用いる樹脂材料をハンドリング部61よりも弾性率の低いものとすることにより、MEA5の周縁部5Eにかかる機械的ストレスは低減される。従って、高分子電解質膜5Aの穴あきや薄層化による劣化が抑制され、クロスリークが防止される。   In addition, at the time of the said injection molding, by mixing a part of resin material which comprises the leak prevention part 62 in a part of peripheral part of 2nd catalyst layer 5B2, the leak prevention part 62 and 2nd catalyst layer 5B2 are mixed. Adhesion is enhanced and the bonding force between the frame body 6 and the MEA 5 is enhanced. Further, by mixing the resin material in the porous second catalyst layer 5B2, the amount of pores in the second catalyst layer 5B2 is reduced, and the reaction gas is prevented from diffusing in the second catalyst layer 5B2. The This makes it possible to suppress contact between the fuel gas and the oxidant gas. Further, at the time of the injection molding, an injection pressure is applied to the peripheral portion 5E of the MEA 5, but the resin material used for the injection molding of the leak preventing portion 62 has a lower elastic modulus than that of the handling portion 61. Mechanical stress applied to the peripheral edge 5E is reduced. Therefore, deterioration due to perforation or thinning of the polymer electrolyte membrane 5A is suppressed, and cross leakage is prevented.

本第1実施形態によれば、ハンドリング部61とリーク防止部62とを有するよう枠体6を構成し、ハンドリング部61とリーク防止部62とを互いに異なる樹脂材料で構成するようにしている。すなわち、主として枠体6としての強度及び電極−膜−枠接合体1のハンドリング性を担う部分と、主としてクロスリークの防止を担う部分との2つの部分を有するように枠体6を構成している。従って、ハンドリング部61とリーク防止部62のそれぞれに最適な樹脂材料を選択することで、それぞれの機能を最大限に発揮させることが可能となる。例えば、ハンドリング部61に弾性率が高い樹脂材料(例えば熱可塑性樹脂)を用いることで、所望のハンドリング性を確保することができる。また、リーク防止部62に弾性率が低い樹脂材料(例えば熱可塑性エラストマー)を用いることで、枠体6の製造時(初期)及び燃料電池の発電時(耐久運転時)にMEA5の周縁部にかかる機械的ストレスを低減することができ、高分子電解質膜5Aの劣化を抑えることができる。また、リーク防止部62の弾性率が低い(柔らかい)ことで、締結荷重に応じた反力が発生しやすくなり、反応ガスのシール性が高くなって、リーク防止効果が高くなる。従って、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。   According to the first embodiment, the frame 6 is configured to have the handling part 61 and the leak prevention part 62, and the handling part 61 and the leak prevention part 62 are made of different resin materials. That is, the frame body 6 is configured so as to have two parts, a part mainly responsible for the strength as the frame body 6 and the handling property of the electrode-membrane-frame assembly 1 and a part mainly responsible for preventing cross leak. Yes. Therefore, by selecting an optimal resin material for each of the handling unit 61 and the leak prevention unit 62, it is possible to maximize the respective functions. For example, by using a resin material (for example, a thermoplastic resin) having a high elastic modulus for the handling portion 61, desired handling properties can be ensured. Further, by using a resin material having a low elastic modulus (for example, a thermoplastic elastomer) for the leak prevention portion 62, the peripheral portion of the MEA 5 is provided at the time of manufacturing the frame body 6 (initial stage) and during power generation of the fuel cell (during durable operation). Such mechanical stress can be reduced and deterioration of the polymer electrolyte membrane 5A can be suppressed. Further, since the elastic modulus of the leak preventing portion 62 is low (soft), a reaction force corresponding to the fastening load is likely to be generated, and the sealing performance of the reactive gas is enhanced, and the leak preventing effect is enhanced. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be further improved.

なお、本発明は前記第1実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記第1実施形態では、ハンドリング部61をアノード側に配置するとともに、リーク防止部62をカソード側に配置したが、ハンドリング部61をカソード側に配置するとともに、リーク防止部62をアノード側に配置してもよい。   In addition, this invention is not limited to the said 1st Embodiment, It can implement in another various aspect. For example, in the first embodiment, the handling unit 61 is disposed on the anode side, and the leak prevention unit 62 is disposed on the cathode side. However, the handling unit 61 is disposed on the cathode side, and the leak prevention unit 62 is disposed on the anode side. You may arrange in.

また、前記第1実施形態では、ハンドリング部61の内縁部61aを触媒層5B1の周縁部上に配置するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ハンドリング部61の内縁部61aを高分子電解質膜5Aの第1の主面上に配置してもよい。同様に、リーク防止部62の内縁部62aも、第2触媒層5B2ではなく、高分子電解質膜5Aの第2の主面上に配置するようにしてもよい。   Moreover, in the said 1st Embodiment, although the inner edge part 61a of the handling part 61 was arrange | positioned on the peripheral part of catalyst layer 5B1, this invention is not limited to this. For example, the inner edge portion 61a of the handling portion 61 may be disposed on the first main surface of the polymer electrolyte membrane 5A. Similarly, the inner edge portion 62a of the leak preventing portion 62 may be disposed not on the second catalyst layer 5B2 but on the second main surface of the polymer electrolyte membrane 5A.

また、前記第1実施形態では、第1触媒層5B1を高分子電解質膜5Aと同じサイズとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1触媒層5B1のサイズを、第1ガス拡散層5C1と同じ、あるいは第1ガス拡散層5C1よりも小さくしてもよい。同様に、第2触媒層5B1のサイズを、第2ガス拡散層5C2と同じ、あるいは第2ガス拡散層5C2よりも小さくしてもよい。   In the first embodiment, the first catalyst layer 5B1 has the same size as the polymer electrolyte membrane 5A, but the present invention is not limited to this. For example, the size of the first catalyst layer 5B1 may be the same as the first gas diffusion layer 5C1 or smaller than the first gas diffusion layer 5C1. Similarly, the size of the second catalyst layer 5B1 may be the same as the second gas diffusion layer 5C2 or smaller than the second gas diffusion layer 5C2.

また、前記第1実施形態では、高分子電解質膜5Aの厚み方向から見て、第1ガス拡散層5C1の周縁部と第2ガス拡散層5C2の周縁部とが一致するように配置したが、それらの周縁部を互いに厚み方向と直交する面方向にずらして配置してもよい。   In the first embodiment, the peripheral edge portion of the first gas diffusion layer 5C1 and the peripheral edge portion of the second gas diffusion layer 5C2 are arranged so as to coincide with each other when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 5A. You may arrange | position those peripheral parts by shifting in the surface direction orthogonal to a thickness direction mutually.

《第2実施形態》
図9は、本発明の第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、図10は、図9のIV−IV線断面図である。本第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1Aが前記第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1と異なる点は、ハンドリング部61とリーク防止部62とを一体化するための接合部63を枠体6Aが更に有している点である。
<< Second Embodiment >>
FIG. 9 is a plan view schematically showing the configuration of the electrode-membrane-frame assembly according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. The electrode-membrane-frame assembly 1A according to the second embodiment is different from the electrode-membrane-frame assembly 1 according to the first embodiment in that the handling portion 61 and the leak prevention portion 62 are integrated. This is a point that the frame body 6A further has the joint portion 63.

接合部63は、樹脂材料を用いて射出成形にて形成されている。この接合部63の射出成形は、第1触媒層5B1の周縁部上にハンドリング部61を配置するとともに、第2触媒層5B2の周縁部上にリーク防止部62を配置した後に行われる。この接合部63によりハンドリング部61とリーク防止部62とが一体化され、枠体6Aが構成される。   The joining part 63 is formed by injection molding using a resin material. The injection molding of the joining portion 63 is performed after the handling portion 61 is disposed on the peripheral portion of the first catalyst layer 5B1 and the leak preventing portion 62 is disposed on the peripheral portion of the second catalyst layer 5B2. The handling part 61 and the leak prevention part 62 are integrated by the joining part 63 to constitute the frame body 6A.

なお、接合部63を射出成形するとき、接合部62を構成する樹脂材料の一部を第2触媒層5B2の周縁部の主面に混在させることが好ましい。これにより、接合部63と第2触媒層5B2との密着性を高めて、枠体6AとMEA5との接合力を強化することができる。また、多孔質な第2触媒層5B2中に樹脂材料を混在させることで、第2触媒層5B2の細孔量が減少して、反応ガスが第2触媒層5B2中で拡散することが抑制される。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの接触を抑制することが可能となる。また、接合部63により枠体6AとMEA5との接合力を強化することができるので、リーク防止部62の射出成形は、第2触媒層5B2の周縁部上に配置される前に予め行われてもよい。この場合、リーク防止部62の射出成形時の射出圧力が高分子電解質膜5Aに加わることがないので、高分子電解質膜5Aの穴あきや薄層化による劣化を一層抑えることができる。なお、この場合、リーク防止部62を構成する樹脂材料の一部は、第2触媒層5B2の周縁部の主面に混在しないことになる。また、リーク防止部62の射出成形を予め行うようにした場合には、無機系の補強材が高分子電解質膜5Aを傷つけることが抑制されるので、リーク防止部62に無機系の補強材を混在させても、クロスリークを防止することができる。   In addition, when injection-molding the junction part 63, it is preferable to mix a part of resin material which comprises the junction part 62 in the main surface of the peripheral part of 2nd catalyst layer 5B2. Thereby, the adhesiveness of the junction part 63 and 2nd catalyst layer 5B2 can be improved, and the joining force of 6 A of frames and MEA5 can be strengthened. Further, by mixing the resin material in the porous second catalyst layer 5B2, the amount of pores in the second catalyst layer 5B2 is reduced, and the reaction gas is prevented from diffusing in the second catalyst layer 5B2. The This makes it possible to suppress contact between the fuel gas and the oxidant gas. Further, since the joining force between the frame 6A and the MEA 5 can be strengthened by the joining part 63, the injection molding of the leak preventing part 62 is performed in advance before being arranged on the peripheral part of the second catalyst layer 5B2. May be. In this case, since the injection pressure at the time of injection molding of the leak preventing portion 62 is not applied to the polymer electrolyte membrane 5A, deterioration due to perforation or thinning of the polymer electrolyte membrane 5A can be further suppressed. In this case, a part of the resin material constituting the leak preventing unit 62 is not mixed on the main surface of the peripheral portion of the second catalyst layer 5B2. Further, when the injection molding of the leak preventing portion 62 is performed in advance, the inorganic reinforcing material is suppressed from damaging the polymer electrolyte membrane 5A. Therefore, the leak preventing portion 62 is provided with an inorganic reinforcing material. Even if they are mixed, cross leakage can be prevented.

接合部63の射出成形に用いる樹脂材料としては、ハンドリング部61の樹脂材料及びリーク防止部62の樹脂材料と同質成分を含むものが好ましい。これにより、ハンドリング部61とリーク防止部62との接合力を強くすることができる。また、接合部63中の無機系の補強材の含有量をハンドリング部61よりも小さくすることが好ましい。これにより、接合部63中の補強材によって高分子電解質膜5Aが劣化することを抑えることができる。なお、接合部63は、無機系の補強材を全く含まなくてもよい。これにより、高分子電解質膜5Aの劣化をより一層に抑えることができる。   As the resin material used for the injection molding of the joint part 63, a resin material containing the same components as the resin material of the handling part 61 and the resin material of the leak prevention part 62 is preferable. Thereby, the joining force of the handling part 61 and the leak prevention part 62 can be strengthened. Further, it is preferable that the content of the inorganic reinforcing material in the joint portion 63 is smaller than that in the handling portion 61. Thereby, it can suppress that 5 A of polymer electrolyte membranes deteriorate with the reinforcing material in the junction part 63. FIG. In addition, the junction part 63 does not need to contain an inorganic reinforcement material at all. Thereby, deterioration of the polymer electrolyte membrane 5A can be further suppressed.

次に、電極−膜−枠接合体1Aの製造方法について説明する。図11A〜図11Cは、電極−膜−枠接合体1Aの各製造工程を、MEA5の周縁部5Eと枠体6Aとの接合部分を拡大して示す模式断面図である。ここでは、ハンドリング部61及びリーク防止部62は予め射出成形され、MEA5は予め作製されているものとする。   Next, a method for producing the electrode-membrane-frame assembly 1A will be described. FIG. 11A to FIG. 11C are schematic cross-sectional views showing each manufacturing process of the electrode-membrane-frame assembly 1A by enlarging the joint portion between the peripheral edge 5E of the MEA 5 and the frame 6A. Here, it is assumed that the handling unit 61 and the leak prevention unit 62 are injection molded in advance, and the MEA 5 is manufactured in advance.

まず、図11Aに示すように、MEA5の第1ガス拡散層5C1に近接して第1触媒層5B1の周縁部上にハンドリング部61を配置する。なお、このとき、ハンドリング部61は予め射出成形されているので、樹脂材料が無機系の補強材を含んでいたとしても、高分子電解質膜5Aが劣化することはない。また、ハンドリング部61を構成する樹脂材料の一部が、第1触媒層5B1の周縁部の主面に混在することもない。   First, as shown in FIG. 11A, the handling unit 61 is disposed on the peripheral edge of the first catalyst layer 5B1 in the vicinity of the first gas diffusion layer 5C1 of the MEA 5. At this time, since the handling part 61 is injection-molded in advance, the polymer electrolyte membrane 5A does not deteriorate even if the resin material includes an inorganic reinforcing material. Further, a part of the resin material constituting the handling part 61 is not mixed on the main surface of the peripheral edge part of the first catalyst layer 5B1.

次いで、図11Bに示すように、MEA5の第2ガス拡散層5C2に近接して第2触媒層5B2の周縁部上にリーク防止部62を配置する。なお、このとき、リーク防止部62は予め射出成形されているので、樹脂材料が無機系の補強材を含んでいたとしても、高分子電解質膜5Aが劣化することはない。また、リーク防止部62を構成する樹脂材料の一部が、第2触媒層5B2の周縁部の主面に混在することもない。   Next, as illustrated in FIG. 11B, the leak prevention unit 62 is disposed on the peripheral portion of the second catalyst layer 5B2 in the vicinity of the second gas diffusion layer 5C2 of the MEA 5. At this time, since the leak preventing portion 62 is injection-molded in advance, the polymer electrolyte membrane 5A does not deteriorate even if the resin material contains an inorganic reinforcing material. In addition, a part of the resin material constituting the leak preventing unit 62 is not mixed on the main surface of the peripheral portion of the second catalyst layer 5B2.

次いで、図11Cに示すように、一対の金型T2でハンドリング部61、リーク防止部62、及びMEA5を挟み、一対の金型T2内に形成されたハンドリング部61とリーク防止部62とMEA5との隙間に溶融した樹脂材料を流し込む。これにより、図11Dに示すように、MEA5の第2ガス拡散層5C2に近接して第2触媒層5B2の周縁部上に接合部63が形成される。また、このとき、接合部63によりリーク防止部62とハンドリング部61とが一体化し、枠体6Aが構成される。これにより、電極−膜−枠接合体1Aの製造が完了する。   Next, as shown in FIG. 11C, the handling unit 61, the leak prevention unit 62, and the MEA 5 are sandwiched between the pair of molds T2, and the handling unit 61, the leak prevention unit 62, and the MEA 5 formed in the pair of molds T2. Pour molten resin material into the gap. As a result, as shown in FIG. 11D, a joint 63 is formed on the peripheral edge of the second catalyst layer 5B2 in the vicinity of the second gas diffusion layer 5C2 of the MEA 5. Further, at this time, the leak preventing portion 62 and the handling portion 61 are integrated by the joining portion 63 to constitute the frame body 6A. Thereby, the manufacture of the electrode-membrane-frame assembly 1A is completed.

なお、前記射出成形時において、接合部63を構成する樹脂材料の一部を第2触媒層5B2の周縁部の一部に混在させることで、接合部63と第2触媒層5B2との密着性が高まり、枠体6AとMEA5との接合力が強化される。また、多孔質な第2触媒層5B2中に樹脂材料を混在させることで、第2触媒層5B2の細孔量が減少して、反応ガスが第2触媒層5B2中で拡散することが抑制される。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの接触を抑制することが可能となる。また、前記射出成形時において、MEA5の周縁部5Eには射出圧力が加わるが、接合部63の射出成形に用いる樹脂材料をハンドリング部61よりも弾性率の低いものとすることにより、MEA5の周縁部5Eにかかる機械的ストレスは低減される。従って、高分子電解質膜5Aの穴あきや薄層化による劣化が抑制され、クロスリークが防止される。   In addition, at the time of the said injection molding, the adhesiveness of the junction part 63 and 2nd catalyst layer 5B2 is mixed by mixing a part of resin material which comprises the junction part 63 in a part of peripheral part of 2nd catalyst layer 5B2. Increases, and the bonding force between the frame 6A and the MEA 5 is strengthened. Further, by mixing the resin material in the porous second catalyst layer 5B2, the amount of pores in the second catalyst layer 5B2 is reduced, and the reaction gas is prevented from diffusing in the second catalyst layer 5B2. The This makes it possible to suppress contact between the fuel gas and the oxidant gas. Further, at the time of the injection molding, an injection pressure is applied to the peripheral portion 5E of the MEA 5. However, the resin material used for the injection molding of the joint portion 63 has a lower elastic modulus than that of the handling portion 61. The mechanical stress applied to the part 5E is reduced. Therefore, deterioration due to perforation or thinning of the polymer electrolyte membrane 5A is suppressed, and cross leakage is prevented.

なお、前記第1及び第2実施形態では、第1及び第2触媒層5B1,5B2は、図3及び図10に示すように、同じサイズに形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図12及び図13に示すように、第1及び第2触媒層5B1,5B2とは、互いにサイズが異なっていてもよい。図12及び図13は、第1触媒層5B1のサイズを第2触媒層5B2のサイズよりも小さくした例を示している。   In the first and second embodiments, the first and second catalyst layers 5B1 and 5B2 are formed in the same size as shown in FIGS. 3 and 10, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 12 and 13, the first and second catalyst layers 5B1 and 5B2 may have different sizes. 12 and 13 show an example in which the size of the first catalyst layer 5B1 is smaller than the size of the second catalyst layer 5B2.

《実施例》
次に、図14〜図16を用いて、本発明の実施例にかかる電極−膜−枠接合体1を説明する。図14は、本発明の実施例にかかる電極−膜−枠接合体1の平面図であり、図15は、そのA−A断面図であり、図16は、そのB−B断面図である。
"Example"
Next, the electrode-membrane-frame assembly 1 according to an example of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 is a plan view of the electrode-membrane-frame assembly 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line AA, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along the line BB. .

本実施例において、ハンドリング部61は、樹脂材料としてガラスフィラーを充填したポリプロピレン(株式会社プライムポリマー社製:R−350G、ガラスフィラー量30wt%)を用いて射出成形した。ハンドリング部61の射出成形は、第1触媒層5B1の周縁部上に配置する前に行った。ハンドリング部61の被保持部61bの面方向の長さL1は、A−A断面においては45.5mmとし、B−B断面においては8.5mmとした。ハンドリング部61の被保持部61bの厚み方向の長さH1は、A−A断面においては0.77mmとし、B−B断面においては1.48mmとした。ハンドリング部61のMEA5と接触する部分の厚み方向の長さH2は、A−A断面においては0.40mmとし、B−B断面においては0.88mmとした。ハンドリング部61の断面積は、A−A断面においては37.835mmとし、B−B断面においては18.740mmとした。 In the present example, the handling unit 61 was injection molded using polypropylene filled with glass filler as a resin material (manufactured by Prime Polymer Co., Ltd .: R-350G, glass filler amount 30 wt%). The injection molding of the handling part 61 was performed before disposing on the peripheral part of the first catalyst layer 5B1. The length L1 in the surface direction of the held portion 61b of the handling portion 61 was 45.5 mm in the AA cross section and 8.5 mm in the BB cross section. The length H1 in the thickness direction of the held portion 61b of the handling portion 61 was 0.77 mm in the AA section and 1.48 mm in the BB section. The length H2 in the thickness direction of the portion of the handling portion 61 that contacts the MEA 5 was 0.40 mm in the AA section and 0.88 mm in the BB section. The cross-sectional area of the handling portion 61 was 37.835 mm 2 in the AA cross section and 18.740 mm 2 in the BB cross section.

リーク防止部62は、樹脂材料としてガラスフィラーを充填していないサントプレーン(登録商標)101−55を用いて射出成形した。リーク防止部62の射出成形は、ハンドリング部61を第1触媒層5B1の周縁部上に配置した後に、一対の金型T1を用いて行った。リーク防止部62とハンドリング部61との面方向の接合長さL2は、A−A断面及びB−B断面とも、1.0mmとした。リーク防止部62の面方向の長さL3は、A−A断面及びB−B断面とも、4.5mmとした。リーク防止部62の厚み方向の長さH3は、A−A断面においては0.37mmとし、B−B断面においては0.60mmとした。リーク防止部62の断面積は、A−A断面においては1.595mmとし、B−B断面においては3.000mmとした。なお、この場合、ハンドリング部61とリーク防止部62との断面積の比率は、最大で24:1、最小で6:1となる。 The leak prevention unit 62 was injection molded using Santoprene (registered trademark) 101-55 not filled with glass filler as a resin material. The injection molding of the leak preventing unit 62 was performed using the pair of molds T1 after the handling unit 61 was disposed on the peripheral portion of the first catalyst layer 5B1. The joining length L2 in the surface direction between the leak prevention unit 62 and the handling unit 61 is 1.0 mm for both the AA cross section and the BB cross section. The length L3 in the surface direction of the leak preventing portion 62 is 4.5 mm for both the AA cross section and the BB cross section. The length H3 in the thickness direction of the leak preventing portion 62 was 0.37 mm in the AA section and 0.60 mm in the BB section. The cross-sectional area of the leak preventing portion 62 was 1.595 mm 2 in the AA cross section and 3.000 mm 2 in the BB cross section. In this case, the ratio of the cross-sectional areas of the handling part 61 and the leak prevention part 62 is 24: 1 at the maximum and 6: 1 at the minimum.

第1ガス拡散層5C1と第2ガス拡散層5C2とは、面方向にずらして配置し、そのずれ量L4は1.5mmとした。   The first gas diffusion layer 5C1 and the second gas diffusion layer 5C2 are arranged so as to be shifted in the plane direction, and the shift amount L4 is 1.5 mm.

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.

本発明にかかる電極−膜−枠接合体及びその製造方法、並びに燃料電池は、発電性能を一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に有用である。   Since the electrode-membrane-frame assembly, the manufacturing method thereof, and the fuel cell according to the present invention can further improve the power generation performance, for example, a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, and a home cogeneration system It is useful for a fuel cell used as a drive source for the above.

1 電極−膜−枠接合体
2 アノードセパレータ
3 カソードセパレータ
4 ボルト孔
5 MEA(膜電極接合体)
5A 高分子電解質膜
5B1 第1触媒層
5B2 第2触媒層
5C1 第1ガス拡散層
5C2 第2ガス拡散層
5D1 第1電極層
5D2 第2電極層
5E 周縁部
6 枠体
10 セル
12,22,32 燃料ガスマニホールド孔
13,23,33 酸化剤ガスマニホールド孔
14,24,34 冷却媒体マニホールド孔
21 燃料ガス流路溝
31 酸化剤ガス流路溝
61 ハンドリング部
62 リーク防止部
T1 金型
1 Electrode-membrane-frame assembly 2 Anode separator 3 Cathode separator 4 Bolt hole 5 MEA (membrane electrode assembly)
5A polymer electrolyte membrane 5B1 first catalyst layer 5B2 second catalyst layer 5C1 first gas diffusion layer 5C2 second gas diffusion layer 5D1 first electrode layer 5D2 second electrode layer 5E peripheral edge 6 frame 10 cell 12, 22, 32 Fuel gas manifold hole 13, 23, 33 Oxidant gas manifold hole 14, 24, 34 Cooling medium manifold hole 21 Fuel gas channel groove 31 Oxidant gas channel groove 61 Handling part 62 Leak prevention part T1 Mold

Claims (11)

高分子電解質膜の第1の主面に配置された第1触媒層と、前記第1触媒層の主面に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の第2の主面に配置された第2触媒層と、前記第2触媒層の主面に配置された第2ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に樹脂製の枠体が形成された電極−膜−枠接合体であって、
前記枠体は、互いに異なる樹脂材料で構成された額縁状のハンドリング部と額縁状のリーク防止部と、を有し、
前記ハンドリング部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記ハンドリング部の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第1の主面側に配置され、
前記リーク防止部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記リーク防止部の内縁部とが重なるように、前記電解質膜の第2の主面側に配置されている、
電極−膜−枠接合体。
A first catalyst layer disposed on the first main surface of the polymer electrolyte membrane, a first gas diffusion layer disposed on the main surface of the first catalyst layer, and a second main surface of the electrolyte membrane An electrode-membrane-, in which a resin frame is formed on the peripheral edge of a membrane electrode assembly having the second catalyst layer formed and the second gas diffusion layer disposed on the main surface of the second catalyst layer A frame joined body,
The frame has a frame-shaped handling portion and a frame-shaped leak prevention portion made of different resin materials,
The handling portion is disposed on the first main surface side of the electrolyte membrane so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane and an inner edge portion of the handling portion overlap when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The leak prevention portion is disposed on the second main surface side of the electrolyte membrane so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane and an inner edge portion of the leak prevention portion overlap each other when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. Yes,
Electrode-membrane-frame assembly.
前記リーク防止部の弾性率は、前記ハンドリング部の弾性率よりも低い、請求項1に記載の電極−膜−枠接合体。   2. The electrode-membrane-frame assembly according to claim 1, wherein an elastic modulus of the leak preventing portion is lower than an elastic modulus of the handling portion. 前記第2触媒層の周縁部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第2ガス拡散層の周縁部よりも外側に配置され、当該第2触媒層の周縁部の主面には前記リーク防止部を構成する樹脂材料の一部が混在している、請求項1又は2に記載の電極−膜−枠接合体。   The peripheral portion of the second catalyst layer is disposed outside the peripheral portion of the second gas diffusion layer when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, and the main surface of the peripheral portion of the second catalyst layer The electrode-membrane-frame assembly according to claim 1 or 2, wherein a part of the resin material constituting the leak preventing portion is mixed. 前記第1触媒層の周縁部は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記第1ガス拡散層の周縁部よりも外側に配置され、当該第1触媒層の周縁部の主面には前記ハンドリング部を構成する樹脂材料の一部が混在していない、請求項3に記載の電極−膜−枠接合体。   The peripheral edge portion of the first catalyst layer is disposed outside the peripheral edge portion of the first gas diffusion layer as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, and the main surface of the peripheral edge portion of the first catalyst layer has the The electrode-membrane-frame assembly according to claim 3, wherein a part of the resin material constituting the handling part is not mixed. 前記ハンドリング部は、熱可塑性樹脂で構成され、
前記リーク防止部は、熱可塑性エラストマーで構成されている、
請求項1〜4のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体。
The handling part is made of a thermoplastic resin,
The leak prevention part is made of a thermoplastic elastomer,
The electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 4.
前記ハンドリング部は、無機系の補強材を含み、
前記リーク防止部は、前記ハンドリング部よりも低い含有率で前記無機系の補強材の含む、請求項1〜5のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体。
The handling part includes an inorganic reinforcing material,
The electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the leak prevention unit includes the inorganic reinforcing material at a lower content than the handling unit.
前記リーク防止部は、前記無機系の補強材を含まない、請求項6に記載の電極−膜−枠接合体。   The electrode-membrane-frame assembly according to claim 6, wherein the leak prevention unit does not include the inorganic reinforcing material. 前記ハンドリング部を構成する樹脂材料と前記リーク防止部を構成する樹脂材料とは、少なくとも一種の同一成分を含む、請求項1〜7のいずれか1つに記載に電極−膜−枠接合体。   The electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the resin material constituting the handling part and the resin material constituting the leak prevention part contain at least one kind of the same component. 前記ハンドリング部は、オレフィン系熱可塑性樹脂で構成され、
前記リーク防止部は、オレフィン系熱可塑性エラストマーで構成されている、
請求項1〜8のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体。
The handling part is composed of an olefinic thermoplastic resin,
The leak prevention part is composed of an olefin-based thermoplastic elastomer,
The electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 8.
請求項1〜9のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池。   A fuel cell comprising the electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 9. 高分子電解質膜の第1の主面に配置された第1触媒層と、前記第1触媒層の主面に配置された第1ガス拡散層と、前記電解質膜の第2の主面に配置された第2触媒層と、前記第2触媒層の主面に配置された第2ガス拡散層と、を有する膜電極接合体の周縁部に枠体が形成された電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
前記製造方法は、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記枠体の一部を構成する額縁状のハンドリング部の内縁部とが重なるように、樹脂材料を用いて前記電解質膜の第1の主面側に前記ハンドリング部を形成する工程と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の周縁部と前記枠体の他部を構成する額縁状のリーク防止部の内縁部とが重なるように、前記ハンドリング部を構成する前記樹脂材料よりも弾性率が低い樹脂材料を用いて前記電解質膜の第2の主面側に前記リーク防止部を形成する工程と、
を含む、電極−膜−枠接合体の製造方法。
A first catalyst layer disposed on the first main surface of the polymer electrolyte membrane, a first gas diffusion layer disposed on the main surface of the first catalyst layer, and a second main surface of the electrolyte membrane An electrode-membrane-frame assembly in which a frame is formed at the peripheral edge of a membrane electrode assembly having the second catalyst layer formed and the second gas diffusion layer disposed on the main surface of the second catalyst layer A manufacturing method of
The manufacturing method includes:
When viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, a resin material is used so that the peripheral edge portion of the electrolyte membrane and the inner edge portion of the frame-shaped handling portion constituting a part of the frame body overlap each other. Forming the handling part on the main surface side of 1,
The resin material that constitutes the handling portion so that a peripheral edge portion of the electrolyte membrane overlaps with an inner edge portion of a frame-shaped leak prevention portion that constitutes the other portion of the frame body as viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane. Forming the leak preventing portion on the second main surface side of the electrolyte membrane using a resin material having a lower elastic modulus than
A method for producing an electrode-membrane-frame assembly comprising:
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