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JP5168639B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成する燃料電池セルの構造の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of a fuel cell constituting a fuel cell.

一般に、燃料電池は電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる接合体(例えばMEGA)と、該接合体を挟持する一対のセパレータとで構成されており、燃料ガス(例えば水素ガス)および酸化ガスが各電極に供給される構造となっている。   In general, a fuel cell is composed of a joined body (for example, MEGA) composed of an electrolyte membrane and a pair of electrodes disposed on both sides thereof, and a pair of separators sandwiching the joined body, and a fuel gas (for example, hydrogen gas) and An oxidizing gas is supplied to each electrode.

例えば固体高分子型燃料電池であれば、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、アノード(水素極)とカソード(酸素極)とが形成されている。両極には、さらに、電気化学反応を促進するための触媒層、該触媒層に反応ガスを拡散させつつ供給するためのガス拡散層が形成されている。カソード側の触媒層では、発電時に水が生成される。該生成水は、ガス拡散層を透過し、燃料オフガスとともに燃料電池外へと排出される。   For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) are formed on both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity. Further, a catalyst layer for promoting an electrochemical reaction and a gas diffusion layer for supplying a reaction gas while diffusing the catalyst gas are formed on both electrodes. In the catalyst layer on the cathode side, water is generated during power generation. The generated water passes through the gas diffusion layer and is discharged out of the fuel cell together with the fuel off gas.

このような燃料電池における課題の一つに、氷点下といった低温状況下で破損が生じうるという問題がある。すなわち、例えば低温状況下で始動したような場合、生成水が、外部に排出されるよりも前に凍結する場合があり、この際の相変化(水→氷)に起因して破壊(凝集破壊)が起きる可能性がある(例えば特許文献1参照)。このような生成水の凍結は、カソード側の触媒層とガス拡散層との界面で生じることが一般に多く、対応手段の一つとして、燃料電池セルの発電面において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることが挙げられる。
特開2007−328935号公報
One problem with such fuel cells is that they can be damaged under low temperature conditions, such as below freezing. That is, for example, when starting under a low temperature condition, the produced water may freeze before being discharged to the outside, and destruction (cohesive failure) due to the phase change (water → ice) at this time ) May occur (see, for example, Patent Document 1). In general, such freezing of generated water often occurs at the interface between the catalyst layer on the cathode side and the gas diffusion layer. As one of the countermeasures, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed on the power generation surface of the fuel cell. Increasing the adhesion strength can be mentioned.
JP 2007-328935 A

しかしながら、従来技術においては、密着強度を上げるための具体的な手法が不明である。   However, in the prior art, a specific method for increasing the adhesion strength is unknown.

そこで、本発明は、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げるための手法を明らかとし、水の凍結による触媒層等の破損を抑制できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fuel cell in which a technique for increasing the adhesion strength between a catalyst layer and a gas diffusion layer is clarified and damage to the catalyst layer and the like due to freezing of water can be suppressed. .

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述のごとく、水の凍結による触媒層等の破損を抑制するため対応手段の一つに、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることがある。この場合、燃料電池セルにおける発電面の全面において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることが望ましいが、そうするとガスが流通し難くなってフラッディングが生じやすくなる等、燃料電池としての性能が低下してしまうおそれがある。また、発電後の燃料電池セルの分解調査などから、燃料電池内部における水は特に反応ガスのターン部において残りやすいという現象がある。燃料電池におけるこれらの現象に着目して検討を重ねた本発明者はかかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. As described above, in order to suppress damage to the catalyst layer and the like due to water freezing, one of the countermeasures is to increase the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer. In this case, it is desirable to increase the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer on the entire power generation surface of the fuel cell, but if this is done, the performance as a fuel cell will be improved. May decrease. In addition, there is a phenomenon that water inside the fuel cell tends to remain particularly in the turn portion of the reaction gas from the disassembly investigation of the fuel cell after power generation. The present inventor, who has repeatedly studied focusing on these phenomena in fuel cells, has obtained new knowledge that leads to the solution of such problems.

本発明はかかる知見に基づくものであり、電解質膜と、該電解質の両面に形成される触媒層と、該触媒層のさらに外側に形成される層であって電解質膜に供給される反応ガスを拡散させるガス拡散層と、該ガス拡散層に反応ガスを供給するセパレータと、を有する燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、触媒層とガス拡散層との間の少なくとも一部に、これら触媒層とガス拡散層とを他の部位よりも密着させる接着部が設けられており、該接着部は、当該燃料電池セルの端部側にて、カーボンに対するナフィオン(登録商標)の比率であるN/Cの値が高く調合されて形成されている。   The present invention is based on such knowledge, and comprises an electrolyte membrane, a catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte, and a reaction gas supplied to the electrolyte membrane that is a layer formed further outside the catalyst layer. In a fuel cell in which a fuel cell having a gas diffusion layer to be diffused and a separator that supplies a reaction gas to the gas diffusion layer is laminated, at least part of the space between the catalyst layer and the gas diffusion layer An adhesion part is provided for bringing the catalyst layer and the gas diffusion layer into close contact with each other, and the adhesion part is a ratio of Nafion (registered trademark) to carbon on the end side of the fuel cell. It is formed by blending with a high value of N / C.

この燃料電池においては、N/Cの値を部分的に高く調合し、当該高くした部分を接着部として機能させ、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げるように機能させる。すなわち、N/Cの値を部分的に高く調合すれば、当該部分のI/C(カーボンに対するイオンの比率)が高くなり、その他の部分と比べて密着強度が相対的に高い接着部として機能しうる。これによれば、水の凍結による触媒層等の破損を抑制することが可能となる。   In this fuel cell, the value of N / C is partially increased, and the increased portion is caused to function as an adhesive portion so that the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer is increased. That is, if the value of N / C is partially high, the I / C (ratio of ions to carbon) of the part increases, and it functions as an adhesive part having a relatively high adhesion strength compared to other parts. Yes. According to this, it becomes possible to suppress damage to the catalyst layer and the like due to freezing of water.

しかも、本発明では、燃料電池セルの端部側(周囲寄り)に当該接着部を設けることとしている。燃料電池セルの端部は全発電量に対する寄与が小さく、尚かつ、水の残りやすい部位に対応した部分であるため、当該部分に絞って密着強度を上げるための対策を施すことにより、燃料電池の性能低下を抑えつつ、触媒層等の破損を抑制することが可能である。   Moreover, in the present invention, the adhesive portion is provided on the end side (near the periphery) of the fuel battery cell. The end portion of the fuel cell has a small contribution to the total power generation amount and is a portion corresponding to a portion where water is likely to remain. Therefore, by taking measures to increase the adhesion strength by focusing on this portion, the fuel cell It is possible to suppress breakage of the catalyst layer and the like while suppressing the performance degradation.

上記の燃料電池において、燃料電池セルの端部側は、当該燃料電池セルにおける非発電部位である。非発電部位は、全発電量に対する寄与が無いに等しい部分であるから、当該非発電部位において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げたとしても燃料電池の性能低下を抑えることが可能である。こうした場合、燃料電池セルが劣化するのを抑えつつ、触媒層等の破損を抑制することができる。   In the above fuel cell, the end portion side of the fuel cell is a non-power generation site in the fuel cell. Since the non-power generation part is an equal part with no contribution to the total power generation amount, even if the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer is increased in the non-power generation part, it is possible to suppress a decrease in the performance of the fuel cell. is there. In such a case, damage to the catalyst layer or the like can be suppressed while suppressing deterioration of the fuel cell.

また、上記の燃料電池においては、例えば触媒層はカソード側触媒層であり、ガス拡散層はカソード側ガス拡散層である。例えばプロトン移動型の(すなわちイオン導電種がH+である)燃料電池においてはカソード側にて生成水が発生する。本発明によれば、生成水がカソード側において凍結した際に生じうる触媒層等の破損を抑制することができる。 In the above fuel cell, for example, the catalyst layer is a cathode side catalyst layer, and the gas diffusion layer is a cathode side gas diffusion layer. For example, in a proton transfer type fuel cell (that is, an ion conductive species is H + ), generated water is generated on the cathode side. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, damage to the catalyst layer etc. which can occur when produced water freezes on the cathode side can be suppressed.

本発明によれば、触媒層とガス拡散層との密着強度を上げるための手法が明らかとなり、水の凍結による触媒層等の破損を抑制することが可能となる。   According to the present invention, a technique for increasing the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer is clarified, and damage to the catalyst layer and the like due to freezing of water can be suppressed.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図1に本実施形態における燃料電池のセル(燃料電池セル)2の概略構成を示す。セル2が積層されることにより構成される燃料電池にはリン酸型など複数の種類があるが、本実施形態にかかる燃料電池は車載や定置用に好適な固体高分子電解質型である。なお、燃料電池は例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell (fuel cell) 2 in the present embodiment. There are a plurality of types of fuel cells configured by stacking the cells 2 such as a phosphoric acid type. The fuel cell according to the present embodiment is a solid polymer electrolyte type suitable for in-vehicle use or stationary use. The fuel cell can be used as, for example, an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV), but is not limited thereto, and various mobile objects (for example, ships and airplanes), robots, and the like It can also be used in a power generation system mounted on a self-propelled device such as a stationary power generation system.

セル2は、接合体30と、接合体30を挟持する一対のセパレータ(図1中において符号20a,20bで示す)とで構成されている(図1参照)。接合体30および各セパレータ20a,20bはおよそ矩形の板状に形成されている。また、接合体30と各セパレータ20a,20bとは、それらの間の周辺部を第1シール部材13a、第2シール部材13bとともに成形樹脂によってモールドされている。   The cell 2 includes a joined body 30 and a pair of separators (indicated by reference numerals 20a and 20b in FIG. 1) that sandwich the joined body 30 (see FIG. 1). The joined body 30 and the separators 20a and 20b are formed in a substantially rectangular plate shape. Moreover, the joined body 30 and each separator 20a, 20b are molded by molding resin with the 1st seal member 13a and the 2nd seal member 13b in the peripheral part between them.

接合体30としては、イオン交換膜からなる電解質(固体高分子膜)の両面に白金等の電極用触媒層321,331を配した膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)や、触媒層321,331の上にさらにガス拡散層322,332を設けた膜・電極・拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)を用いることができる。例えば本実施形態では、膜−電極−拡散層接合体(MEGA)からなる接合体30を用いている(図3参照)。   As the assembly 30, a membrane / electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) in which electrode catalyst layers 321 and 331 such as platinum are arranged on both surfaces of an electrolyte (solid polymer membrane) made of an ion exchange membrane, or a catalyst layer Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly (MEGA) in which gas diffusion layers 322 and 332 are further provided on 321 and 331 can be used. For example, in this embodiment, a joined body 30 made of a membrane-electrode-diffusion layer assembly (MEGA) is used (see FIG. 3).

接合体30は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう)31と、電解質膜31を両面から挟んだ一対の電極(アノード側拡散電極32およびカソード側拡散電極33)とで構成されている(図3参照)。各拡散電極32,33は、その表面に付着した白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。アノード側拡散電極32には燃料ガス(反応ガス)としての水素ガス、カソード側拡散電極33には空気や酸化剤などの酸化ガス(反応ガス)が供給され、これら2種類の反応ガスにより接合体30内で電気化学反応が生じてセル2の起電力が得られるようになっている。図3においては、アノード側拡散電極32を構成する触媒層とガス拡散層とをそれぞれ符号321,322で示し、カソード側拡散電極33を構成する触媒層とガス拡散層とをそれぞれ符号331,332で示している。   The joined body 30 includes a polymer electrolyte membrane (hereinafter also simply referred to as an electrolyte membrane) 31 made of an ion exchange membrane of a polymer material, and a pair of electrodes (an anode side diffusion electrode 32 and a cathode side) sandwiching the electrolyte membrane 31 from both sides. And a diffusion electrode 33) (see FIG. 3). Each of the diffusion electrodes 32 and 33 is made of, for example, a porous carbon material carrying a catalyst such as platinum attached to the surface thereof. The anode side diffusion electrode 32 is supplied with hydrogen gas as a fuel gas (reaction gas), and the cathode side diffusion electrode 33 is supplied with an oxidizing gas (reaction gas) such as air or an oxidant. An electrochemical reaction occurs in the cell 30 so that the electromotive force of the cell 2 can be obtained. In FIG. 3, the catalyst layer and the gas diffusion layer constituting the anode side diffusion electrode 32 are denoted by reference numerals 321 and 322, respectively, and the catalyst layer and the gas diffusion layer constituting the cathode side diffusion electrode 33 are denoted by reference numerals 331 and 332, respectively. Is shown.

セパレータ20a,20bは、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属(メタル)が挙げられる。本実施形態のセパレータ20a,20bの基材は板状のメタルで形成されているものであり(メタルセパレータ)、この基材の電極32a,32b側の面には耐食性に優れた膜(例えば金メッキで形成された皮膜)が形成されている。   Separator 20a, 20b is comprised with the gas-impermeable electroconductive material. Examples of the conductive material include carbon and a hard resin having conductivity, and metals such as aluminum and stainless steel. The base material of the separators 20a and 20b of this embodiment is formed of a plate-like metal (metal separator), and a film (for example, gold plating) having excellent corrosion resistance is provided on the surface of the base material on the electrodes 32a and 32b side. Is formed).

また、セパレータ20a,20bの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が例えばサーペンタイン状に形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ20a,20bの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は酸化ガスのガス流路34や水素ガスのガス流路35、あるいは冷却水流路36を構成している。   Further, on both surfaces of the separators 20a and 20b, a groove-like flow path constituted by a plurality of concave portions is formed in a serpentine shape, for example. These flow paths can be formed by press molding in the case of the separators 20a and 20b of the present embodiment in which the base material is formed of, for example, a plate-like metal. The groove-shaped flow path formed in this way constitutes a gas flow path 34 for oxidizing gas, a gas flow path 35 for hydrogen gas, or a cooling water flow path 36.

また、セパレータ20a,20bの長手方向の一端部付近には、酸化ガスの入口側のマニホールド15a、水素ガスの出口側のマニホールド16b、および冷却水の出口側のマニホールド17bが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド15a,16b,17bは各セパレータ20a,20bに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図1参照)。さらに、セパレータ20a,20bのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド15b、水素ガスの入口側のマニホールド16a、および冷却水の入口側のマニホールド17aが形成されている(図1参照)。   Near one end of the separators 20a and 20b in the longitudinal direction, an oxidizing gas inlet side manifold 15a, a hydrogen gas outlet side manifold 16b, and a cooling water outlet side manifold 17b are formed. For example, in the case of this embodiment, these manifolds 15a, 16b, and 17b are formed by substantially rectangular or trapezoidal through holes provided in the separators 20a and 20b (see FIG. 1). Further, an oxidant gas outlet side manifold 15b, a hydrogen gas inlet side manifold 16a, and a cooling water inlet side manifold 17a are formed at opposite ends of the separators 20a and 20b (see FIG. 5). 1).

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ20aにおける水素ガス用の入口側マニホールド16aと出口側マニホールド16bは、セパレータ20aに溝状に形成されている入口側の連絡通路61および出口側の連絡通路62を介してそれぞれが水素ガスのガス流路35に連通している。同様に、セパレータ20bにおける酸化ガス用の入口側マニホールド15aと出口側マニホールド15bは、セパレータ20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路63および出口側の連絡通路64を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路34に連通している(図1参照)。さらに、各セパレータ20a,20bにおける冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bは、各セパレータ20a,20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路65および出口側の連絡通路66を介してそれぞれが冷却水流路36に連通している。   Of the manifolds as described above, the inlet side manifold 16a and the outlet side manifold 16b for the hydrogen gas in the separator 20a have an inlet side communication passage 61 and an outlet side communication passage 62 formed in the separator 20a in a groove shape. Each communicates with a gas flow path 35 of hydrogen gas. Similarly, the inlet side manifold 15a and the outlet side manifold 15b for the oxidizing gas in the separator 20b are oxidized via the inlet side communication passage 63 and the outlet side communication passage 64 formed in the separator 20b in a groove shape. The gas communicates with the gas flow path 34 (see FIG. 1). Further, the inlet side manifold 17a and the outlet side manifold 17b of the cooling water in each separator 20a, 20b are connected to each separator 20a, 20b through an inlet side communication passage 65 and an outlet side communication passage 66 formed in a groove shape. Each communicates with the cooling water passage 36.

第1シール部材13a、第2シール部材13bは、ともに枠状でありほぼ同一形状に形成されている部材である(図1参照)。これらのうち、第1シール部材13aは接合体30とセパレータ20aとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜31の周縁部と、セパレータ20aのうちガス流路35の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第2シール部材13bは、接合体30とセパレータ20bとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜31の周縁部と、セパレータ20bのうちガス流路34の周囲の部分との間に介在するように設けられる。さらに、隣接するセル2,2のセパレータ20bとセパレータ20aとの間には、枠状の第3シール部材13cが設けられている(図1参照)。   The first seal member 13a and the second seal member 13b are both frame-shaped members that are formed in substantially the same shape (see FIG. 1). Among these, the first seal member 13a is provided between the joined body 30 and the separator 20a. More specifically, the peripheral portion of the electrolyte membrane 31 and the portion around the gas flow path 35 in the separator 20a. Between the two. Further, the second seal member 13b is provided between the joined body 30 and the separator 20b, and more specifically, the peripheral portion of the electrolyte membrane 31 and the portion around the gas flow path 34 in the separator 20b. Between the two. Further, a frame-shaped third seal member 13c is provided between the separators 20b and 20a of the adjacent cells 2 and 2 (see FIG. 1).

また、符号40で示す枠状部材は、接合体30とともにセパレータ20a,20b間に挟持される例えば樹脂からなる部材(樹脂フレーム)である。   Moreover, the frame-shaped member shown by the code | symbol 40 is a member (resin frame) which consists of resin between the separators 20a and 20b with the joined body 30, for example.

続いて、本実施形態における燃料電池に特有の構造について説明する(図2、図3参照)。   Next, a structure unique to the fuel cell in the present embodiment will be described (see FIGS. 2 and 3).

本実施形態の燃料電池においては、カソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との間の少なくとも一部に接着部が設けられている。一方、このような接着部が設けられていない部位は、カソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332とを密着させてはいない部位(以下、非接着部という)である。   In the fuel cell of the present embodiment, an adhesive portion is provided at least partially between the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332. On the other hand, the part where the adhesive part is not provided is a part where the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332 are not in close contact (hereinafter referred to as a non-adhesive part).

接着部は、当該カソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との密着強度を上げるように機能する部位である。例えば本実施形態では、N/Cの値を部分的に高く調合し、当該高くした部分を接着部として機能させている。N/Cは、カーボンに対するナフィオン(登録商標)の比率を表す値である。なお、登録商標ナフィオン(Nafion)はDuPont社の一商品の名称である。イオン性高分子であるナフィオン(登録商標)はアイオノマーの一種であり、プロトン伝導性を有するフッ素樹脂系イオン交換膜などを構成する。N/Cの値を部分的に高く調合すれば、当該部分のI/C(カーボンに対するイオンの比率)が高くなる。このようにして接着部として機能する部分は、その他の部分(非接着部)と比べて密着強度が相対的に高い。   The adhesion part is a part that functions to increase the adhesion strength between the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332. For example, in this embodiment, the value of N / C is mixed partially high, and the increased portion is functioned as an adhesive portion. N / C is a value representing the ratio of Nafion (registered trademark) to carbon. The registered trademark Nafion is a name of one product of DuPont. Nafion (registered trademark), which is an ionic polymer, is a kind of ionomer and constitutes a fluorine resin ion exchange membrane having proton conductivity. When the value of N / C is mixed partially high, the I / C (ratio of ions to carbon) of the portion increases. Thus, the part which functions as an adhesion part has relatively high adhesion strength compared with other parts (non-adhesion part).

このような接着部は、特に、発電後などにおいて水の残りやすい位置に対応して設けられることが好ましい。氷点下などの低温状況下では、水の相変化(水←→氷)に起因して破壊(凝集破壊)が生じる可能性がある。これに対応するには、燃料電池セル2における発電面の全面においてカソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との密着強度を上げることが望ましいが、そうするとガスが流通し難くなってフラッディングが生じやすくなる等、燃料電池としての性能が低下してしまう可能性がある。この点、本実施形態では、燃料電池セル2の端部側(周囲寄り)に当該接着部を設けることとしている。燃料電池セル2の端部は全発電量に対する寄与が小さく、尚かつ、水の残りやすい部位に対応する部分であるため、当該部分に絞って密着強度を上げるための対策を施すことは有効である。   It is preferable that such an adhesive portion is provided corresponding to a position where water is likely to remain, particularly after power generation. Under low-temperature conditions such as below freezing, destruction (cohesive failure) may occur due to the phase change of water (water ← → ice). In order to cope with this, it is desirable to increase the adhesion strength between the cathode-side catalyst layer 331 and the cathode-side gas diffusion layer 332 over the entire power generation surface of the fuel battery cell 2, but this makes it difficult for gas to flow and flooding occurs. There is a possibility that the performance as a fuel cell is deteriorated, such as being easily generated. In this regard, in the present embodiment, the adhesive portion is provided on the end side (near the periphery) of the fuel battery cell 2. Since the end portion of the fuel cell 2 has a small contribution to the total amount of power generation and is a portion corresponding to a portion where water tends to remain, it is effective to squeeze the portion to increase the adhesion strength. is there.

この場合、燃料電池セル2の端部は、好ましくは当該燃料電池セルにおける非発電部位である。非発電部位は全発電量に対する寄与が無いに等しい部分であるから、当該非発電部位においてカソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との密着強度を上げたとしても燃料電池の性能低下を抑えることは可能である。   In this case, the end of the fuel cell 2 is preferably a non-power generation site in the fuel cell. Since the non-power generation part is an equal part with no contribution to the total power generation amount, even if the adhesion strength between the cathode-side catalyst layer 331 and the cathode-side gas diffusion layer 332 is increased in the non-power generation part, the performance of the fuel cell is reduced. It is possible to suppress it.

また、例えば本実施形態のようにサーペンタイン型の流路(酸化ガスのガス流路34や水素ガスのガス流路35)を有する燃料電池の場合には、当該流路のターン部19に対応した部分において、カソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との密着強度を上げるようにしてもよい。サーペンタイン型流路のターン部19は発電部位の中において端部寄りに位置することから、当該ターン部19に対応した部分においてカソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との密着度を上げたとしても燃料電池の性能低下を抑えることが可能である(図2参照)。また、特にターン部19において水分が残りやすいという分解調査の結果を踏まえれば、このようにターン部19に対応した部分においてカソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との密着強度を上げることは、当該部分の接触層等の劣化を抑制できる点で好ましい。なお、図2に例示する酸化ガス流路34のターン部19にはディンプル23が形成されている(図2参照)。   Further, for example, in the case of a fuel cell having a serpentine type flow path (oxidizing gas flow path 34 or hydrogen gas flow path 35) as in this embodiment, it corresponds to the turn portion 19 of the flow path. In the portion, the adhesion strength between the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332 may be increased. Since the turn part 19 of the serpentine channel is located closer to the end in the power generation site, the degree of adhesion between the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332 is increased at the part corresponding to the turn part 19. Even if this is the case, it is possible to suppress the performance degradation of the fuel cell (see FIG. 2). In particular, considering the result of the decomposition investigation that moisture tends to remain in the turn part 19, the adhesion strength between the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332 is increased in the part corresponding to the turn part 19 in this way. Is preferable in that deterioration of the contact layer or the like of the portion can be suppressed. In addition, the dimple 23 is formed in the turn part 19 of the oxidizing gas flow path 34 illustrated in FIG. 2 (see FIG. 2).

以上説明したように、本実施形態においては、カソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332が密着している接着部、および密着していない非接触部を、燃料電池における対策の場所を特定しつつ設けている。これによれば、燃料電池の性能低下を抑えつつ、所定部位において触媒層とガス拡散層との密着強度を上げ、凍結による触媒層の破損等を抑制することができる。   As described above, in the present embodiment, the location of the countermeasure in the fuel cell is specified by using the adhesion portion where the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332 are in close contact and the non-contact portion where the cathode side gas diffusion layer 332 is not in close contact. However, it is provided. According to this, it is possible to increase the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer at a predetermined portion while suppressing the deterioration of the performance of the fuel cell, and to suppress the damage of the catalyst layer due to freezing.

しかも、本実施形態では、当該燃料電池セル2の端部側にてN/Cの値を高く調合することによって上記の接着部を形成するというように、密着強度を上げるための手法が明らかとなっている。したがって、燃料電池セル2の形状や構造などの違いに適宜対応して水の凍結による触媒層等の破損を抑制することが可能である。   Moreover, in the present embodiment, a technique for increasing the adhesion strength is clarified, such as forming the above-mentioned adhesive portion by blending a high N / C value on the end portion side of the fuel cell 2. It has become. Therefore, it is possible to suppress damage to the catalyst layer and the like due to water freezing as appropriate in response to differences in the shape and structure of the fuel cell 2.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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いて種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態では、カソード側触媒層331とカソード側ガス拡散層332との間の少なくとも一部に接着部を設ける例を示したが、もちろんこれとは逆にアノード側触媒層321とアノード側ガス拡散層322との間に接着部を設けることも可能である。要は、燃料電池が固体高分子型のようないわゆるプロトン移動型であれば、カソード側にて生成水が発生するためカソード側にて触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることが好適なのであり、異なる型の燃料電池に対しては適宜アノード側にて触媒層とガス拡散層との密着強度を上げることにより、触媒層等の破損を抑制することが可能となる。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, an example in which an adhesive portion is provided at least at a part between the cathode side catalyst layer 331 and the cathode side gas diffusion layer 332 has been shown. Of course, on the contrary, the anode side catalyst layer 321 and the anode are provided. It is also possible to provide an adhesive portion between the side gas diffusion layer 322. In short, if the fuel cell is a so-called proton transfer type such as a solid polymer type, it is preferable to increase the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer on the cathode side because generated water is generated on the cathode side. Therefore, for different types of fuel cells, it is possible to prevent damage to the catalyst layer and the like by appropriately increasing the adhesion strength between the catalyst layer and the gas diffusion layer on the anode side.

また、上述した実施形態ではセパレータ20(20a,20b)が金属製のいわゆるメタルセパレータである場合を例示して説明したが、本発明の適用対象がこれに限られることもない。セパレータがこれ以外である場合(例えばカーボンセパレータである場合)にも本発明を適用することが可能である。   Moreover, although embodiment mentioned above illustrated and demonstrated the case where separator 20 (20a, 20b) was what is called a metal separator, the application object of this invention is not restricted to this. The present invention can also be applied when the separator is other than this (for example, when it is a carbon separator).

本発明の一実施形態における燃料電池セルの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the fuel battery cell in one Embodiment of this invention. セパレータの構造例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a separator. 燃料電池セルの構造例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

2…セル(燃料電池セル)、31…高分子電解質膜(電解質膜)、20(20a,20b)…セパレータ、321…アノード側触媒層(触媒層)、322…アノード側ガス拡散層(ガス拡散層)、331…カソード側触媒層(触媒層)、332…カソード側ガス拡散層(ガス拡散層) 2 ... cell (fuel cell), 31 ... polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane), 20 (20a, 20b) ... separator, 321 ... anode side catalyst layer (catalyst layer), 322 ... anode side gas diffusion layer (gas diffusion) Layer), 331 ... cathode side catalyst layer (catalyst layer), 332 ... cathode side gas diffusion layer (gas diffusion layer)

Claims (3)

電解質膜と、該電解質の両面に形成される触媒層と、該触媒層のさらに外側に形成される層であって前記電解質膜に供給される反応ガスを拡散させるガス拡散層と、該ガス拡散層に前記反応ガスを供給するセパレータと、を有する燃料電池セルが積層されてなる燃料電池において、
前記触媒層と前記ガス拡散層との間の少なくとも一部に、これら触媒層とガス拡散層とを他の部位よりも密着させる接着部が設けられており、
該接着部は、ーボンに対するナフィオン(登録商標)の比率であるN/Cの値が部分的に高く調合され、当該高く調合された部分が前記触媒層と前記ガス拡散層との密着強度を上げるように機能する部分で形成されており、
尚かつ、前記接着部は、当該燃料電池セルの周囲寄りであって、当該燃料電池セルの全発電量に対する寄与が無いかまたは無いに等しい部分である非発電部位に形成されていることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane, a catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte, a gas diffusion layer formed on the outer side of the catalyst layer and diffusing a reaction gas supplied to the electrolyte membrane, and the gas diffusion In a fuel cell in which a fuel cell having a separator for supplying the reaction gas to a layer is laminated,
At least a part between the catalyst layer and the gas diffusion layer is provided with an adhesion part that makes the catalyst layer and the gas diffusion layer more closely contact with each other than the other parts
Adhesive portion is formulated Nafion value of N / C is the ratio of (R) partially higher against mosquito Bon, the adhesion strength of the high formulated portion and the catalyst layer and the gas diffusion layer It is formed with parts that function to raise ,
In addition, the adhesive portion is formed in a non-power generation portion that is a portion near the periphery of the fuel battery cell and that has no or no contribution to the total power generation amount of the fuel battery cell. A fuel cell.
当該燃料電池がサーペンタイン型の流路を持つ燃料電池であって、前記接着部は、当該サーペンタイン型の流路のターン部に対応した部分に形成されている、請求項1に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is a fuel cell having a serpentine-type channel, and the adhesive portion is formed at a portion corresponding to a turn portion of the serpentine-type channel . 前記触媒層はカソード側触媒層であり、前記ガス拡散層はカソード側ガス拡散層である、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 catalyst layer is a cathode side catalyst layer, and the gas diffusion layer is a cathode side gas diffusion layer.
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