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JP5593604B2 - Membrane electrode assembly, separator and fuel cell - Google Patents
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Description

この発明は、膜電極接合体、セパレータ及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, a separator, and a fuel cell.

特許文献1には、カソードガス触媒層とカソードガス拡散層の間に高撥水層を設ける燃料電池が開示されている。
特開2007−328935号公報 (段落0016)
Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a highly water repellent layer is provided between a cathode gas catalyst layer and a cathode gas diffusion layer.
JP 2007-328935 A (paragraph 0016)

しかしながら、前述した従来の燃料電池では、低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態(たとえばスタック温度が5〜10℃程度)が継続すると、燃料電池で生成される液水が、カソードガス触媒層と高撥水層との間に溜まってしまってカソードガス拡散層が破損するおそれのあることが本件発明者らによって知見された。   However, in the conventional fuel cell described above, when the temperature of the fuel cell is low (for example, the stack temperature is about 5 to 10 ° C.) immediately after the low temperature start, the liquid water generated in the fuel cell is converted into the cathode gas. The present inventors have found that the cathode gas diffusion layer may be damaged due to accumulation between the catalyst layer and the highly water-repellent layer.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、低温状態であっても、ガス拡散層の破損を生じない膜電極接合体、セパレータ及び燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and provides a membrane electrode assembly, a separator, and a fuel cell that do not cause damage to a gas diffusion layer even at low temperatures. Objective.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。   The present invention solves the above problems by the following means.

本発明は、燃料電池の発電に伴う生成水がマイクロポーラス層で撥水されてしまってマイクロポーラス層を透過できず、触媒層とマイクロポーラス層との間に一時的に溜まってしまう発電時に、溜まった生成水が前記マイクロポーラス層を透過する際の前記マイクロポーラス層に加わる圧力より、その際における前記ガス拡散層の耐圧が大きくなるように構成された膜電極接合体の少なくともカソード側の面に設けられ、前記触媒層と前記マイクロポーラス層との間に生成水が溜まるときに、前記ガス拡散層の面圧強度を増す強度増強部を備え、前記強度増強部は、セパレータリブの角R部であり、前記ガス拡散層に接面する、セパレータリブの平坦部よりもガス拡散層側に突出するように形成される、ことを特徴とする。 The present invention is not capable of transmitting microporous layer generates water due to power generation of the fuel cell is too long and the water repellent in the microporous layer, want earthenware pots generate electricity by temporarily accumulated between the catalyst layer and the microporous layer sometimes, at least the cathode of the more pressure exerted on the microporous layer, the membrane electrode assembly the breakdown voltage of the gas diffusion layer in this case is configured to be larger when the accumulated product water passes through the pre-Symbol microporous layer Provided on the side surface, and when the generated water accumulates between the catalyst layer and the microporous layer, a strength enhancing portion that increases the surface pressure strength of the gas diffusion layer is provided . And is formed so as to protrude to the gas diffusion layer side of the flat portion of the separator rib that is in contact with the gas diffusion layer .

本発明によれば、触媒層からマイクロポーラス層へ生成水が通過する際、ガス拡散層の強度が保たれるので、ガス拡散層の破損を低減できる。   According to the present invention, when the generated water passes from the catalyst layer to the microporous layer, the strength of the gas diffusion layer is maintained, so that damage to the gas diffusion layer can be reduced.

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
(基本形態)
図1は、本実施形態における燃料電池の外観を示す図であり、図1(A)は斜視図、図1(B)は側面図である。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(Basic form)
1A and 1B are views showing the appearance of a fuel cell according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a side view.

最初に燃料電池の基本構成について説明する。燃料電池スタック1は、積層された複数の発電セル10と、集電プレート20と、絶縁プレート30と、エンドプレート40と、4本のテンションロッド50とを備える。   First, the basic configuration of the fuel cell will be described. The fuel cell stack 1 includes a plurality of stacked power generation cells 10, a current collecting plate 20, an insulating plate 30, an end plate 40, and four tension rods 50.

発電セル10は、燃料電池の単位セルである。各発電セル10は、1ボルト(V)程度の起電圧を生じる。各発電セル10の構成の詳細については後述する。   The power generation cell 10 is a unit cell of a fuel cell. Each power generation cell 10 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V). Details of the configuration of each power generation cell 10 will be described later.

集電プレート20は、積層された複数の発電セル10の外側にそれぞれ配置される。集電プレート20は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート20は、上辺の一部に出力端子21を備える。燃料電池スタック1は、出力端子21によって、各発電セル10で生じた電子e-を取り出して出力する。 The current collecting plate 20 is disposed outside each of the stacked power generation cells 10. The current collecting plate 20 is formed of a gas impermeable conductive member, for example, dense carbon. The current collecting plate 20 includes an output terminal 21 in a part of the upper side. The fuel cell stack 1 takes out and outputs the electrons e generated in each power generation cell 10 through the output terminal 21.

絶縁プレート30は、集電プレート20の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート30は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。   The insulating plates 30 are respectively arranged outside the current collecting plates 20. The insulating plate 30 is formed of an insulating member such as rubber.

エンドプレート40は、絶縁プレート30の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート40は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。   The end plate 40 is disposed outside the insulating plate 30. The end plate 40 is made of a rigid metal material such as steel.

一方のエンドプレート40(図1(A)では、左手前のエンドプレート40)には、アノード供給口41aと、アノード排出口41bと、カソード供給口42aと、カソード排出口42bと、冷却水供給口43aと、冷却水排出口43bとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口41b、冷却水排出口43b及びカソード供給口42aは図中右側に設けられている。またカソード排出口42b、冷却水供給口43a及びアノード供給口41aは図中左側に設けられている。   One end plate 40 (the left front end plate 40 in FIG. 1A) has an anode supply port 41a, an anode discharge port 41b, a cathode supply port 42a, a cathode discharge port 42b, and a cooling water supply. A port 43a and a cooling water discharge port 43b are provided. In the present embodiment, the anode discharge port 41b, the cooling water discharge port 43b, and the cathode supply port 42a are provided on the right side in the drawing. The cathode discharge port 42b, the cooling water supply port 43a, and the anode supply port 41a are provided on the left side in the drawing.

テンションロッド50は、エンドプレート40の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック1は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド50が挿通される(図1(B)参照)。テンションロッド50は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド50は、発電セル10同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド50にナット51が螺合する(図1(B)参照)。テンションロッド50とナット51とが燃料電池スタック1を積層方向に締め付けることで、スタッキング圧が発生する。   The tension rods 50 are disposed near the four corners of the end plate 40, respectively. The fuel cell stack 1 has a hole (not shown) penetrating therethrough. The tension rod 50 is inserted through the through hole (see FIG. 1B). The tension rod 50 is formed of a rigid metal material such as steel. The tension rod 50 is insulated on the surface in order to prevent an electrical short circuit between the power generation cells 10. A nut 51 is screwed into the tension rod 50 (see FIG. 1B). The tension rod 50 and the nut 51 tighten the fuel cell stack 1 in the stacking direction to generate a stacking pressure.

アノード供給口41aにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口42aに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。   As a method of supplying hydrogen as the anode gas to the anode supply port 41a, for example, a method of directly supplying hydrogen gas from a hydrogen storage device or a hydrogen-containing gas reformed by reforming a fuel containing hydrogen is supplied. There are methods. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. Examples of the fuel containing hydrogen include natural gas, methanol, and gasoline. Air is generally used as the cathode gas supplied to the cathode supply port 42a.

燃料電池スタック1は、図1(B)に示すように、積層された複数の発電セル10の両側に、集電プレート20と、絶縁プレート30と、エンドプレート40と、が配置される。   In the fuel cell stack 1, as shown in FIG. 1B, a current collecting plate 20, an insulating plate 30, and an end plate 40 are disposed on both sides of the plurality of stacked power generation cells 10.

また燃料電池スタックの片側の絶縁プレート30の外側には、サブエンドプレート41が配置され、さらにそのサブエンドプレート41の外側にたとえば皿バネなどからなる変動吸収部材42が配置され、その外側にエンドプレート40が設けられる。このような積層構造の燃料電池スタックを4本のテンションロッド50で積層方向に締め付ける。このように変動吸収部材42が設けられているので、燃料電池スタックに作用する面圧の変動を吸収可能である。   A sub-end plate 41 is disposed outside the insulating plate 30 on one side of the fuel cell stack, and a fluctuation absorbing member 42 made of, for example, a disc spring is disposed outside the sub-end plate 41. A plate 40 is provided. The fuel cell stack having such a stacked structure is fastened in the stacking direction by four tension rods 50. Thus, since the fluctuation | variation absorption member 42 is provided, the fluctuation | variation of the surface pressure which acts on a fuel cell stack can be absorbed.

図2は、発電セルの拡大図である。   FIG. 2 is an enlarged view of the power generation cell.

発電セル10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)11の両面に、アノードセパレータ12a及びカソードセパレータ12bが配置される構造である。MEA11は、イオン交換膜からなる電解質膜111の両面に電極触媒層112(112a,112b)が形成される。この電極触媒層112(112a,112b)の上にマイクロポーラス層(Micro Porous Layer;MPL)113(113a,113b)が形成される。このMPL113(113a,113b)の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer;GDL)114(114a,114b)が形成される。   The power generation cell 10 has a structure in which an anode separator 12 a and a cathode separator 12 b are disposed on both surfaces of a membrane electrode assembly (MEA) 11. In the MEA 11, electrode catalyst layers 112 (112a, 112b) are formed on both surfaces of an electrolyte membrane 111 made of an ion exchange membrane. On the electrode catalyst layer 112 (112a, 112b), a microporous layer (MPL) 113 (113a, 113b) is formed. A gas diffusion layer (Gas Diffusion Layer; GDL) 114 (114a, 114b) is formed on the MPL 113 (113a, 113b).

電極触媒層112は、たとえば白金Pt又は白金系合金をカーボン担体粉末上に担持させた触媒、電解質粒子(アイオノマ)及び撥水剤からなる混合層を電解質膜上に、ホットプレス又は直接噴霧することで形成される。   The electrode catalyst layer 112 is formed by, for example, hot pressing or directly spraying a mixed layer composed of a catalyst in which platinum Pt or a platinum-based alloy is supported on a carbon carrier powder, an electrolyte particle (ionomer), and a water repellent agent on the electrolyte membrane. Formed with.

MPL113は、おもにカーボンブラック等の導電性カーボン粉末と四フッ化エチレン樹脂(PolyTetraFluoroEthylene;PTFE)などとの結着剤兼撥水剤の混合層である。MPL113は、GDL114の繊維が電解質膜111を貫通して短絡してしまうことを防止する。またMPL113は、電極触媒層112とGDL114との接触面積を増大する。さらにMPL113は、電極触媒層112の排水性を調整することで、発電時の電極触媒層112の湿潤環境を最適化してフラッディングやドライアウトを防止する。さらにまたMPL113は、反応ガスの分配を促進して燃料電池の発電性能を向上する。   The MPL 113 is a mixed layer of a binder / water repellent mainly composed of conductive carbon powder such as carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE). The MPL 113 prevents the GDL 114 fibers from being short-circuited through the electrolyte membrane 111. Further, the MPL 113 increases the contact area between the electrode catalyst layer 112 and the GDL 114. Further, the MPL 113 adjusts the drainage of the electrode catalyst layer 112 to optimize the wet environment of the electrode catalyst layer 112 during power generation and prevent flooding and dryout. Furthermore, the MPL 113 promotes the distribution of the reaction gas and improves the power generation performance of the fuel cell.

GDL114は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。   The GDL 114 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, such as carbon fiber.

アノード供給口41aから供給されたアノードガスは、このGDL114aを流れてアノード電極触媒層112(112a)と反応し、アノード排出口41bから排出される。カソード供給口42aから供給されたカソードガスは、このGDL114bを流れてカソード電極触媒層112(112b)と反応し、カソード排出口42bから排出される。   The anode gas supplied from the anode supply port 41a flows through this GDL 114a, reacts with the anode electrode catalyst layer 112 (112a), and is discharged from the anode discharge port 41b. The cathode gas supplied from the cathode supply port 42a flows through this GDL 114b, reacts with the cathode electrode catalyst layer 112 (112b), and is discharged from the cathode discharge port 42b.

アノードセパレータ12aは、GDL114a及びMPL113aを介してMEA11の片面(図2の左面)に重ねられる。カソードセパレータ12bは、GDL114b及びMPL113bを介してMEA11の片面(図2の右面)に重ねられる。アノードセパレータ12a及びカソードセパレータ12bは、たとえばチタン、ステンレス、アルミニウムなどの金属製のセパレータ基体によって形成される。アノードセパレータ12a及びカソードセパレータ12bは、そのようなセパレータ基体が冷間プレスやケミカルエッチング、サンドブラストなどされて形成される。アノードセパレータ12a及びカソードセパレータ12bは、表面が金などの貴金属で被覆されたり、導電性カーボン材料で被覆されており、導電性である。またアノードセパレータ12a及びカソードセパレータ12bは、別形態としてカーボンブラック等の導電性カーボン粉末を用いて樹脂モールディング成型されたものであってもよい。   The anode separator 12a is overlapped on one side (left side in FIG. 2) of the MEA 11 via the GDL 114a and the MPL 113a. The cathode separator 12b is stacked on one side (the right side in FIG. 2) of the MEA 11 via the GDL 114b and the MPL 113b. The anode separator 12a and the cathode separator 12b are formed by a separator base made of metal such as titanium, stainless steel, and aluminum. The anode separator 12a and the cathode separator 12b are formed by subjecting such a separator substrate to cold pressing, chemical etching, sandblasting, or the like. The anode separator 12a and the cathode separator 12b are conductive because their surfaces are coated with a noble metal such as gold or with a conductive carbon material. The anode separator 12a and the cathode separator 12b may be formed by resin molding using a conductive carbon powder such as carbon black as another form.

ここで本実施形態で解決したい課題について詳述するため、図3を用いて説明する。   Here, in order to describe in detail the problem to be solved in the present embodiment, it will be described with reference to FIG.

燃料電池は、アノードガス及びカソードガスが供給されると以下の反応によって発電する。   When the anode gas and the cathode gas are supplied, the fuel cell generates power by the following reaction.

Figure 0005593604
Figure 0005593604

この反応によって液水H2Oが生成される。液水H2Oは、MPL113及びGDL114を透過して排出される。 Liquid water H 2 O is generated by this reaction. Liquid water H 2 O passes through MPL 113 and GDL 114 and is discharged.

ところでMPL113は、上述の通り、カーボン粉末とPTFEの混合層であり、撥水性である。   Incidentally, as described above, the MPL 113 is a mixed layer of carbon powder and PTFE and is water repellent.

燃料電池の発電反応が進行し燃料電池の温度が高くなると、生成される液水H2Oが水蒸気になってMPL113及びGDL114を透過して外部へ排出される。しかしながら低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態(たとえばスタック温度が5〜10℃程度)が継続すると、MPL113で撥水されてしまってMPL113を透過できない液水H2Oが溜まってしまう。そして液水は、図3に示したように、スタッキング圧が作用していないカソードセパレータ12bのチャネル122の下に集中する。液水の生成量が増えて、液水の圧力がMPL113の耐水圧Pを越えると、液水はMPL113を透過する。このときGDL114の強度(最大許容面圧)が耐水圧Pよりも低いと破損するおそれがある。 When the power generation reaction of the fuel cell proceeds and the temperature of the fuel cell rises, the generated liquid water H 2 O becomes water vapor, passes through the MPL 113 and the GDL 114, and is discharged to the outside. However, if the temperature of the fuel cell is low (for example, the stack temperature is about 5 to 10 ° C.) immediately after the low temperature start, liquid water H 2 O that is repelled by the MPL 113 and cannot permeate the MPL 113 accumulates. . As shown in FIG. 3, the liquid water concentrates under the channel 122 of the cathode separator 12b where no stacking pressure is applied. When the amount of liquid water increases and the liquid water pressure exceeds the water pressure resistance P of the MPL 113, the liquid water permeates the MPL 113. At this time, if the strength (maximum allowable surface pressure) of the GDL 114 is lower than the water pressure resistance P, the GDL 114 may be damaged.

そこで本実施形態では、GDL114の強度(最大許容面圧)が耐水圧Pよりも常に大きくなるようにしたのである。   Therefore, in this embodiment, the strength (maximum allowable surface pressure) of the GDL 114 is always larger than the water pressure resistance P.

(第1実施形態)
図4は、セパレータの流路幅とGDLの強度(最大許容面圧)との相関を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing the correlation between the separator channel width and the GDL strength (maximum allowable surface pressure).

図4から分かるように、同一のGDLであっても、セパレータの流路幅が狭いほど最大許容面圧は大きくなる。しかしながらセパレータの流路幅が狭ければ、セパレータの流路を流れる反応ガスの通気抵抗が増えてしまう。したがって通気抵抗を考えると、セパレータの流路幅は大きいことが望ましい。   As can be seen from FIG. 4, even with the same GDL, the maximum allowable surface pressure increases as the flow path width of the separator decreases. However, if the separator channel width is narrow, the ventilation resistance of the reaction gas flowing through the separator channel increases. Therefore, considering the ventilation resistance, it is desirable that the flow path width of the separator is large.

図5は本発明による燃料電池の第1実施形態を示す図であり、図5(A)は液水が生成される前の初期状態を示し、図5(B)は液水が生成された後の状態を示す。   FIG. 5 is a diagram showing a first embodiment of a fuel cell according to the present invention. FIG. 5 (A) shows an initial state before liquid water is generated, and FIG. 5 (B) shows liquid water generated. Shown later.

そこで本実施形態では、セパレータ12のリブ121のエッジ部分に角R部121aを設けたのである。   Therefore, in this embodiment, the corner R portion 121 a is provided at the edge portion of the rib 121 of the separator 12.

このようにすれば初期状態では、図5(A)に示すように流路幅W1であり反応ガスの通気抵抗を低く抑えることができる。   In this way, in the initial state, as shown in FIG. 5A, the flow path width is W1, and the gas flow resistance of the reaction gas can be kept low.

そして低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態が継続して、図5(B)に示すようにMPL113を透過できない液水H2Oが溜まると、GDL114が押し上げられることとなる。これにともなってGDL114の支持部間が距離W2に縮小されるので、GDL114の最大許容面圧が大きくなって強度が増し、GDL114が破損することを防止できる。具体的な寸法は実験を通じて設定すればよい。 When the temperature of the fuel cell continues to be low just after the low temperature start and liquid water H 2 O that cannot pass through the MPL 113 is accumulated as shown in FIG. 5B, the GDL 114 is pushed up. Accordingly, the distance between the support portions of the GDL 114 is reduced to the distance W2, so that the maximum allowable surface pressure of the GDL 114 is increased and the strength is increased, and the GDL 114 can be prevented from being damaged. Specific dimensions may be set through experiments.

なお低温始動直後は反応ガスの通流量も少ないので、通気抵抗が増えても影響が少ない。   Since the reaction gas flow rate is small immediately after the low temperature start, there is little influence even if the ventilation resistance increases.

(第2実施形態)
図6は本発明による燃料電池の第2実施形態を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the fuel cell according to the present invention.

本実施形態では、セパレータリブ121の角R部121aが、リブ平坦部121bよりもGDL側に突出するように形成した。   In this embodiment, the corner R portion 121a of the separator rib 121 is formed so as to protrude to the GDL side from the rib flat portion 121b.

セパレータリブ121の角R部121aを、このような形状に構成しても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。   Even if the corner R portion 121a of the separator rib 121 is configured in such a shape, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

(第3実施形態)
図7は本発明による燃料電池の第3実施形態を示す図であり、図7(A)は液水が生成される前の初期状態を示し、図7(B)は液水が生成された後の状態を示す。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a view showing a third embodiment of the fuel cell according to the present invention. FIG. 7 (A) shows an initial state before liquid water is generated, and FIG. 7 (B) shows that liquid water is generated. Shown later.

本実施形態では図7(A)に示すように、セパレータ12のチャネル122の内部に、GDL側に突出する凸面122aを形成した。   In the present embodiment, as shown in FIG. 7A, a convex surface 122a protruding to the GDL side is formed inside the channel 122 of the separator 12.

このように構成すれば、低温始動直後のように燃料電池の温度が低い状態が継続して、図7(B)に示すようにMPL113を透過できない液水H2Oによって押し上げられたGDL114に凸面122aが当接する。このためGDL114が破損することを防止できるのである。 If constituted in this way, the state where the temperature of the fuel cell is low immediately after the low temperature start continues, and the convex surface of the GDL 114 pushed up by the liquid water H 2 O that cannot pass through the MPL 113 as shown in FIG. 122a contacts. For this reason, it is possible to prevent the GDL 114 from being damaged.

(第4実施形態)
図8は本発明による燃料電池の第4実施形態を示す図であり、図8(A)はこの第4実施形態の解決課題の説明図、図8(B−1)(B−2)は接触角θの説明図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a view showing a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 (A) is an explanatory view of a solution problem of this fourth embodiment, and FIGS. 8 (B-1) and (B-2) are FIG. It is explanatory drawing of contact angle (theta).

セパレータ12のリブ121の下に位置するMPL113の箇所では、燃料電池のスタッキング圧が作用して、MPL113の内部の空孔が押し潰されて径が小さくなっている。MPL113の耐水圧Pは、次式(1)で表される。   At the location of the MPL 113 located under the rib 121 of the separator 12, the stacking pressure of the fuel cell acts, and the holes inside the MPL 113 are crushed to reduce the diameter. The water pressure resistance P of the MPL 113 is expressed by the following equation (1).

Figure 0005593604
Figure 0005593604

したがって最大空孔径Dが小さいと耐水圧Pが大きくなってしまう。逆に最大空孔径Dを大きくすれば耐水圧Pが小さくなる。   Therefore, when the maximum hole diameter D is small, the water pressure resistance P is increased. Conversely, if the maximum hole diameter D is increased, the water pressure resistance P decreases.

そこで本実施形態では、スタック温度が低いときには、テンションロッド50とナット51との螺合を弛めてスタッキング圧を低減するようにした。なお螺合を弛める方法としては、モータなどによってナット51を回転すればよい。   Therefore, in this embodiment, when the stack temperature is low, the threading between the tension rod 50 and the nut 51 is loosened to reduce the stacking pressure. As a method for loosening the screwing, the nut 51 may be rotated by a motor or the like.

本実施形態によれば、スタック温度が低いときに、スタッキング圧を低減するようにしたので、セパレータ12のリブ下のMPL空孔が一時的に大きくなり、低温始動の耐水圧Pが小さくなり、GDL114に作用する圧力を低減できる。したがってGDL114の破損を防止できるのである。   According to this embodiment, since the stacking pressure is reduced when the stack temperature is low, the MPL holes below the ribs of the separator 12 are temporarily increased, and the water pressure resistance P at low temperature start is reduced, The pressure acting on the GDL 114 can be reduced. Therefore, the GDL 114 can be prevented from being damaged.

(第5実施形態)
図9は本発明による燃料電池の第5実施形態を示す図であり、図9(A)は縦断面図、図9(B)は下面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a view showing a fifth embodiment of the fuel cell according to the present invention, FIG. 9A is a longitudinal sectional view, and FIG. 9B is a bottom view.

本実施形態では、MPL113に、セパレータ12のチャネル122の下に位置する部分に貫通孔113cを形成した。   In the present embodiment, the through hole 113c is formed in the MPL 113 at a portion located below the channel 122 of the separator 12.

このように構成すれば、MPL113の最大空孔径が大きくなるので、耐水圧Pが小さくなる。するとGDL114に作用する圧力が低減される。したがってGDL114の破損を防止できる。   With this configuration, the maximum pore diameter of the MPL 113 is increased, so that the water pressure resistance P is decreased. Then, the pressure which acts on GDL114 is reduced. Therefore, damage to the GDL 114 can be prevented.

(第6実施形態)
図10は本発明による燃料電池の第6実施形態を示す図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a view showing a sixth embodiment of the fuel cell according to the present invention.

本実施形態では、MPL113に、セパレータ12のチャネル122の下に位置する部分に耐水圧低下部113dを形成した。具体的には、この部分に親水性材料を混入しておくことで、MPL113に局所的に接触角θの小さい部分を設けることができ、MPL113の耐水圧を低減できる。親水性材料としてはフッ素系電解質膜やその薄膜などがある。電解質によって耐水圧低下部113dを形成すれば、MPL113の保水性も上がるので、MPL113が極度に乾燥することを防止でき、これによってもMPL113の耐水圧が低減する効果が得られる。   In the present embodiment, the waterproof pressure reduction portion 113d is formed in the MPL 113 at a portion located under the channel 122 of the separator 12. Specifically, by mixing a hydrophilic material in this part, a part having a small contact angle θ can be locally provided in the MPL 113, and the water pressure resistance of the MPL 113 can be reduced. Examples of the hydrophilic material include a fluorine electrolyte membrane and a thin film thereof. The formation of the water pressure resistance reduction portion 113d by the electrolyte also increases the water retention of the MPL 113, so that the MPL 113 can be prevented from being extremely dried, and this also provides the effect of reducing the water pressure resistance of the MPL 113.

(第7実施形態)
図11は本発明による燃料電池の第7実施形態を示す図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 11 is a view showing a seventh embodiment of the fuel cell according to the present invention.

本実施形態のGDL114には、カーボン粒子114cが含浸されている。   The GDL 114 of this embodiment is impregnated with carbon particles 114c.

本実施形態によれば、GDL114に含浸されたカーボン粒子及びバインダーの結合力によって、GDL114の機械強度が向上する。このためGDL114の最大曲げ応力が大きくなり最大許容応力が増加する。   According to this embodiment, the mechanical strength of the GDL 114 is improved by the binding force between the carbon particles impregnated in the GDL 114 and the binder. For this reason, the maximum bending stress of the GDL 114 increases and the maximum allowable stress increases.

(第8実施形態)
図12は本発明による燃料電池の第8実施形態を示す図である。
(Eighth embodiment)
FIG. 12 is a view showing an eighth embodiment of the fuel cell according to the present invention.

本実施形態のGDL114は、外側GDL基材114−1と内側GDL基材114−2との2層構造である。そして外側GDL基材114−1にはカーボン粒子114cを含浸し、内側GDL基材114−2にはカーボン粒子114cを含浸しない。   The GDL 114 of this embodiment has a two-layer structure of an outer GDL base material 114-1 and an inner GDL base material 114-2. The outer GDL base material 114-1 is impregnated with carbon particles 114c, and the inner GDL base material 114-2 is not impregnated with carbon particles 114c.

このように構成すれば、カーボン粒子114cの混合量を極力低減しつつ曲げ強度を大きくすることができ、それとともに通気抵抗、排水性の向上を図ることもできる。また、2枚のGDL基材114−1,114−2を貼り合わせて構成するので、外側GDL基材114−1へカーボン粒子を容易に混合することができる。   If comprised in this way, bending strength can be enlarged, reducing the mixing amount of the carbon particle 114c as much as possible, and improvement of ventilation resistance and drainage can also be aimed at it. In addition, since the two GDL base materials 114-1 and 114-2 are bonded together, the carbon particles can be easily mixed with the outer GDL base material 114-1.

なお本実施形態では2層構造を例示したがさらに多層の構造であってもよい。その場合でも最外層のGDL基材にカーボン粒子114cを含浸するとよい。また最外層のGDL基材に機械的強度の高い基材を使用してもよい。   In this embodiment, a two-layer structure is illustrated, but a multilayer structure may be used. Even in such a case, it is preferable to impregnate the outermost GDL base material with the carbon particles 114c. Moreover, you may use a base material with high mechanical strength for the GDL base material of outermost layer.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。   Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.

たとえば第1実施形態においては、強度増強部として、セパレータリブのエッジ部分に角R部を設ける構造を例示したが、直線状の面取り部であってもよい。   For example, in the first embodiment, the structure in which the corner R portion is provided at the edge portion of the separator rib as the strength enhancing portion is exemplified, but a linear chamfer portion may be used.

一実施形態における燃料電池の外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance of the fuel cell in one Embodiment. 発電セルの拡大図である。It is an enlarged view of a power generation cell. 解決したい課題について説明する図である。It is a figure explaining the problem to solve. セパレータの流路幅とGDLの強度(最大許容面圧)との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the flow path width of a separator, and the intensity | strength (maximum permissible surface pressure) of GDL. 本発明による燃料電池の第1実施形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第2実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第3実施形態を示す図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第4実施形態を示す図である。It is a figure which shows 4th Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第5実施形態を示す図である。It is a figure which shows 5th Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第6実施形態を示す図である。It is a figure which shows 6th Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第7実施形態を示す図である。It is a figure which shows 7th Embodiment of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の第8実施形態を示す図である。It is a figure which shows 8th Embodiment of the fuel cell by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 膜電極接合体(MEA)
111 電解質膜
112(112a,112b) 触媒層
113(113a,113b) マイクロポーラス層(MPL)
113c 貫通孔
113d 耐水圧低下部
114(114a,114b) ガス拡散層(GDL)
114c カーボン粒子
12(12a,12b) セパレータ
121 セパレータリブ
121a 角R部(強度増強部)
121b リブ平坦部
122 セパレータチャネル
122a 凸面(強度増強部)
11 Membrane electrode assembly (MEA)
111 Electrolyte membrane 112 (112a, 112b) Catalyst layer 113 (113a, 113b) Microporous layer (MPL)
113c Through-hole 113d Water pressure reduction part 114 (114a, 114b) Gas diffusion layer (GDL)
114c Carbon particle 12 (12a, 12b) Separator 121 Separator rib 121a Corner R part (strength enhancement part)
121b Rib flat portion 122 Separator channel 122a Convex surface (strength enhancing portion)

Claims (7)

電解質膜の少なくともカソード側の面に、触媒層と、マイクロポーラス層と、ガス拡散層と、の順に積層されて燃料電池の発電に伴う生成水がマイクロポーラス層で撥水されてしまってマイクロポーラス層を透過できず、触媒層とマイクロポーラス層との間に一時的に溜まってしまう発電時に、溜まった生成水が前記マイクロポーラス層を透過する際の前記マイクロポーラス層に加わる圧力より、その際における前記ガス拡散層の耐圧が大きくなるように構成された膜電極接合体の少なくともカソード側の面に設けられ、前記触媒層と前記マイクロポーラス層との間に生成水が溜まるときに、前記ガス拡散層の面圧強度を増す強度増強部を備え、
前記強度増強部は、セパレータリブの角R部であり、前記ガス拡散層に接面する、セパレータリブの平坦部よりもガス拡散層側に突出するように形成される、
ことを特徴とするセパレータ。
A catalyst layer, a microporous layer, and a gas diffusion layer are laminated in this order on at least the cathode side of the electrolyte membrane, and the water generated by the power generation of the fuel cell is repelled by the microporous layer. During the power generation that cannot pass through the layer and is temporarily accumulated between the catalyst layer and the microporous layer, the generated product water is more than the pressure applied to the microporous layer when passing through the microporous layer. The gas diffusion layer is provided at least on the surface on the cathode side of the membrane electrode assembly configured to increase the pressure resistance of the gas diffusion layer, and when the generated water accumulates between the catalyst layer and the microporous layer, the gas Equipped with a strength enhancement part that increases the surface pressure strength of the diffusion layer,
The strength-enhancing portion is a corner rib R portion of the separator rib, and is formed so as to protrude to the gas diffusion layer side than the flat portion of the separator rib that is in contact with the gas diffusion layer.
A separator characterized by that.
前記強度増強部は、セパレータリブのエッジに形成され、角を除去して成る、
ことを特徴とする請求項1に記載のセパレータ。
The strength enhancing portion is formed on the edge of the separator rib and is formed by removing corners.
The separator according to claim 1.
電解質膜の少なくともカソード側の面に、触媒層と、マイクロポーラス層と、ガス拡散層と、の順に積層されて燃料電池の発電に伴う生成水がマイクロポーラス層で撥水されてしまってマイクロポーラス層を透過できず、触媒層とマイクロポーラス層との間に一時的に溜まってしまう発電時に、溜まった生成水が前記マイクロポーラス層を透過する際の前記マイクロポーラス層に加わる圧力より、その際における前記ガス拡散層の耐圧が大きくなるように構成された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の少なくともカソード側の面に設けられ、膜電極接合体に所定のスタッキング圧で当接するセパレータと、
5〜10℃での始動時に、前記セパレータのスタッキング圧を低減する面圧低減手段と、
を有する燃料電池。
A catalyst layer, a microporous layer, and a gas diffusion layer are laminated in this order on at least the cathode side of the electrolyte membrane, and the water generated by the power generation of the fuel cell is repelled by the microporous layer. During the power generation that cannot pass through the layer and is temporarily accumulated between the catalyst layer and the microporous layer, the generated product water is more than the pressure applied to the microporous layer when passing through the microporous layer. A membrane electrode assembly configured to increase the pressure resistance of the gas diffusion layer in
A separator that is provided on at least the cathode side surface of the membrane electrode assembly, and abuts the membrane electrode assembly with a predetermined stacking pressure;
A surface pressure reducing means for reducing the stacking pressure of the separator when starting at 5 to 10 ° C . ;
A fuel cell.
前記マイクロポーラス層は、前記セパレータのチャネルの下に位置する部分に貫通孔を有する、
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
The microporous layer has a through hole in a portion located under the channel of the separator,
The fuel cell according to claim 3.
前記マイクロポーラス層は、前記セパレータのチャネルの下に位置する部分に、親水性材料が混入されて耐水圧が低減された耐水圧低下部を有する、
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池。
The microporous layer has a water pressure lowering portion in which water resistance is reduced by mixing a hydrophilic material in a portion located under the channel of the separator.
The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
前記ガス拡散層にはカーボン粒子が混入されている、
ことを特徴とする請求項3乃至5の何れか1項に記載の燃料電池。
Carbon particles are mixed in the gas diffusion layer,
The fuel cell according to any one of claims 3 to 5, wherein:
前記ガス拡散層は複数の基材が積層されて構成され、前記複数の基材のうち前記マイクロポーラス層から最も離れた最外層基材にはカーボン粒子が混入されている、
ことを特徴とする請求項3乃至6の何れか1項に記載の燃料電池。
The gas diffusion layer is configured by laminating a plurality of base materials, and among the plurality of base materials, carbon particles are mixed in the outermost layer base material that is farthest from the microporous layer.
The fuel cell according to any one of claims 3 to 6, wherein:
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