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JP5954528B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池(PEFC)などの燃料電池の改良に関する。   The present invention relates to an improvement in a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

この種の燃料電池としては、例えば、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の燃料電池は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、膜電極接合体を挟む二枚のセパレータを備えている。膜電極接合体は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟持し、その両面に、第1及び第2のガス拡散層を夫々備えている。   An example of this type of fuel cell is described in Patent Document 1. The fuel cell described in Patent Document 1 includes a membrane electrode assembly (MEA) and two separators that sandwich the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and has first and second gas diffusion layers on both surfaces thereof.

そして、上記の燃料電池は、ガス拡散層の外側に、膜電極接合体の端部を延出させると共に、ガス拡散層の外側において、両セパレータに設けた弾性ガスケットで膜電極接合体の端部の挟み込むことにより、膜電極接合体の変形やガス拡散層のずれを防止するものである。この特許文献1には、膜電極接合体の外周部に、補強フレームを一体で設けてもよいことが記載されている。   In the fuel cell, the end of the membrane electrode assembly is extended to the outside of the gas diffusion layer, and the end of the membrane electrode assembly is formed by an elastic gasket provided on both separators on the outside of the gas diffusion layer. This prevents the membrane electrode assembly from being deformed and the gas diffusion layer from being displaced. Patent Document 1 describes that a reinforcing frame may be integrally provided on the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly.

特開2010−108852号公報JP 2010-108852 A

ところで、上記したような燃料電池では、膜電極接合体と膜電極接合体に反応用ガスを供給するマニホールドとの間には、反応用ガスを整流するための一定面積のディフューザ部が不可欠である。ディフューザ部は、膜電極接合体の外周部に形成されるフレームによって構成される。   By the way, in the fuel cell as described above, a diffuser portion having a certain area for rectifying the reaction gas is indispensable between the membrane electrode assembly and the manifold that supplies the reaction gas to the membrane electrode assembly. . A diffuser part is comprised by the flame | frame formed in the outer peripheral part of a membrane electrode assembly.

その一方で、この種の燃料電池では、燃料電池の運転状況等によりカソード側とアノード側との間でガスの差圧が発生し、上記のディフューザ部を形成するフレームが差圧の影響を受けやすい。つまり、ディフューザ部を有する燃料電池では、上記の差圧により、比較的梁長が大きくなるディフューザ部において、フレームが厚さ方向に変形し、これにより片側のガス流路の断面積が減少して反応用ガスの圧力損失が大きくなる、また差圧変動により、繰り返し応力を受け、フレームが厚さ方向に変形し、これにより片側のガス流路の断面積が減少して反応用ガスの圧力損失が大きくなるという問題点があった。   On the other hand, in this type of fuel cell, a gas differential pressure is generated between the cathode side and the anode side depending on the operating condition of the fuel cell, and the frame forming the diffuser part is affected by the differential pressure. Cheap. That is, in a fuel cell having a diffuser portion, the frame is deformed in the thickness direction in the diffuser portion having a relatively large beam length due to the above-described differential pressure, thereby reducing the cross-sectional area of the gas flow path on one side. The pressure loss of the reaction gas increases, and the differential pressure fluctuation causes repeated stress, causing the frame to deform in the thickness direction, thereby reducing the cross-sectional area of the gas flow path on one side and reducing the pressure loss of the reaction gas. There is a problem that becomes larger.

また、近年では、燃料電池の小型・高性能化を実現する対策の一つとして、薄型化の研究開発が進められており、これに伴って、フレームの薄型化を図る場合に上記の差圧を起因とする問題点がより顕著になる。   In recent years, research and development for thinning has been promoted as one of the measures to realize miniaturization and high performance of fuel cells, and as a result, the above differential pressure is required when thinning the frame. The problem caused by the problem becomes more prominent.

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、外周部にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極接合体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にディフューザ部を形成した燃料電池において、カソード側とアノード側とのガスの差圧によるフレームの変形を抑制することができる燃料電池を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and includes a membrane electrode assembly having a frame on the outer peripheral portion, and two separators sandwiching the frame and the membrane electrode assembly, and the frame and the separator. It is an object of the present invention to provide a fuel cell in which a diffuser portion is formed between the frames, and the deformation of the frame due to the gas pressure difference between the cathode side and the anode side can be suppressed.

本発明に係る燃料電池は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体及びフレームとの間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にガス流路の一部であるディフューザ部を形成している。そして、燃料電池は、電極層の表面に、ガス透過性を有する金属多孔体を備えると共に、金属多孔体が、外周側に、フレームのディフューザ部の領域を覆う張出部を備えている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。   A fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode layers, a frame disposed on the outer periphery of the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly and the frame. A separator that partitions the gas flow path is provided, and a diffuser portion that is a part of the gas flow path is formed between the frame and the separator. The fuel cell includes a porous metal body having gas permeability on the surface of the electrode layer, and the porous metal body has an overhanging portion that covers the region of the diffuser portion of the frame on the outer peripheral side. Thus, the above configuration is used as a means for solving the conventional problems.

本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極接合体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にディフューザ部を形成した燃料電池において、カソード側とアノード側とのガスの差圧によるフレームの変形を抑制することができる。これにより、ガス流路の断面積を充分に確保して、反応用ガスの圧力損失を防ぐことができる。   According to the present invention, in a fuel cell comprising a membrane electrode assembly having a frame on the outer peripheral portion, and two separators sandwiching the frame and the membrane electrode assembly, and having a diffuser portion formed between the frame and the separator. The deformation of the frame due to the differential pressure of gas between the cathode side and the anode side can be suppressed. As a result, a sufficient cross-sectional area of the gas flow path can be secured, and pressure loss of the reaction gas can be prevented.

本発明の燃料電池の一実施形態を説明する要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part explaining one Embodiment of the fuel cell of this invention. 図1に示す燃料電池の全体の平面図である。It is a top view of the whole fuel cell shown in FIG. 図2に示す燃料電池を分解状態にした平面図である。FIG. 3 is a plan view of the fuel cell shown in FIG. 2 in an exploded state. 本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part explaining other embodiment of the fuel cell of this invention.

以下、図面に基づいて、本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する。
図1〜図3に示す燃料電池FCは、電解質膜1を一対の電極層(2,3)で挟持した構造を有する膜電極接合体Mと、電解質膜1の外周部に配置したフレーム4と、膜電極接合体M及びフレーム4との間にガス流路Gを区画形成するセパレータ5,5を備えている。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described based on the drawings.
The fuel cell FC shown in FIGS. 1 to 3 includes a membrane electrode assembly M having a structure in which the electrolyte membrane 1 is sandwiched between a pair of electrode layers (2, 3), a frame 4 disposed on the outer periphery of the electrolyte membrane 1, and In addition, separators 5 and 5 that partition the gas flow path G between the membrane electrode assembly M and the frame 4 are provided.

膜電極接合体Mは、いわゆるMEA(Membrane Electrode Assembly)であって、固体高分子から成る電解質膜1を一対の電極層であるカソード層2及びアノード層3で挟んだものである。カソード層2及びアノード層3は、図1に示すように、電解質膜1側から、触媒層21,31と、ガス拡散層として機能する多孔層22,32及び金属多孔体23,33を夫々備えている。また、多孔層22,32は複数層からなってもよい。   The membrane electrode assembly M is a so-called MEA (Membrane Electrode Assembly) in which an electrolyte membrane 1 made of a solid polymer is sandwiched between a cathode layer 2 and an anode layer 3 which are a pair of electrode layers. As shown in FIG. 1, the cathode layer 2 and the anode layer 3 are respectively provided with catalyst layers 21 and 31, porous layers 22 and 32 that function as gas diffusion layers, and porous metal bodies 23 and 33 from the electrolyte membrane 1 side. ing. The porous layers 22 and 32 may be composed of a plurality of layers.

フレーム4は、膜電極接合体Mを支持すると共に、ガスケットとしても機能する樹脂製の部材であり、材料の一例としてポリエチレンナフタレート(PEN)が挙げられる。このフレーム4は、図3に示すように平面矩形状を成すと共に、膜電極複合体Mの外縁部に一体化してある。この実施形態のフレーム4は、図1に示す如く、電解質膜1の外縁部を一対のシート状の素材で挟むと共に、素材同士を接着層4Aで貼り合わせたものである。、   The frame 4 is a resin member that supports the membrane electrode assembly M and also functions as a gasket. An example of the material is polyethylene naphthalate (PEN). As shown in FIG. 3, the frame 4 has a planar rectangular shape and is integrated with an outer edge portion of the membrane electrode assembly M. As shown in FIG. 1, the frame 4 of this embodiment is obtained by sandwiching the outer edge portion of the electrolyte membrane 1 with a pair of sheet-like materials and bonding the materials together with an adhesive layer 4A. ,

また、フレーム4は、図3中で左側となる一方の短辺側に、カソードガス(酸素含有ガス)、冷却液及びアノードガス(水素含有ガス)の供給孔H1〜H3を有し、他方の短辺側に、これら流体の排出孔H4〜H6を有している。なお、供給及び排出の位置関係は適宜変更することができる。   Further, the frame 4 has supply holes H1 to H3 for cathode gas (oxygen-containing gas), coolant, and anode gas (hydrogen-containing gas) on one short side on the left side in FIG. On the short side, there are discharge holes H4 to H6 for these fluids. The positional relationship between supply and discharge can be changed as appropriate.

セパレータ5は、集電体を兼用するものであり、図3に示すように、フレーム4とほぼ同等の縦横寸法を有する平面矩形状を成すと共に、ステンレス等の金属板をプレス成形したものである。セパレータ5は、中央部分の内面に、長辺方向に沿う複数の突条を互いに平行に有し、これにより、膜電極接合体Mとの間にガス流路Gを形成する。また、セパレータ5は、両短辺側に、フレーム4と同様の供給孔H1〜H3及び排出孔H4〜H6が形成してある。なお、図3では、金属多孔体23,33を省略している。   The separator 5 also serves as a current collector. As shown in FIG. 3, the separator 5 has a plane rectangular shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions as the frame 4, and is formed by press-molding a metal plate such as stainless steel. . The separator 5 has a plurality of protrusions along the long side direction in parallel with each other on the inner surface of the center portion, thereby forming a gas flow path G between the separator 5 and the membrane electrode assembly M. Further, the separator 5 has supply holes H1 to H3 and discharge holes H4 to H6 similar to the frame 4 formed on both short sides. In FIG. 3, the metal porous bodies 23 and 33 are omitted.

上記の膜電極接合体M及びフレーム4、並びに両セパレータ5,5は、互いに重ね合わせて燃料電池FCを構成する。このとき、燃料電池FCは、とくに図2に示すように、中央に、膜電極接合体Mの領域である発電部Gを備えている。そして、燃料電池FCは、発電部Gの両側に、反応用ガスの供給孔H1〜H3及び排出孔H4〜H6を夫々配置したマニホールド部Hを備えると共に、各マニホールド部Hから発電部Gに至る間に、反応用ガスの整流を行うディフューザ部Dを備えている。すなわち、燃料電池FCは、フレーム4とセパレータ5,5との間に、ガス流路Gの一部であるディフューザ部Dを形成した構成になっている。   The membrane electrode assembly M and the frame 4 and the separators 5 and 5 are overlapped with each other to constitute the fuel cell FC. At this time, the fuel cell FC includes a power generation unit G that is a region of the membrane electrode assembly M in the center as shown in FIG. The fuel cell FC includes a manifold portion H in which reaction gas supply holes H1 to H3 and discharge holes H4 to H6 are arranged on both sides of the power generation portion G, and reaches the power generation portion G from each manifold portion H. A diffuser part D for rectifying the reaction gas is provided between them. That is, the fuel cell FC has a configuration in which a diffuser portion D that is a part of the gas flow path G is formed between the frame 4 and the separators 5 and 5.

ここで、セパレータ5は、ディフューザ部Dに対応する領域に、多数の凸部5Aが縦横に配列してある。これらの凸部5Aは、当該燃料電池FCに厚さ方向の負荷が加わった際に、フレーム4に当接してガス流路Gの閉塞を防止するものである。   Here, in the separator 5, a large number of convex portions 5 </ b> A are arranged vertically and horizontally in a region corresponding to the diffuser portion D. These convex portions 5A are in contact with the frame 4 to prevent the gas flow path G from being blocked when a load in the thickness direction is applied to the fuel cell FC.

さらに、燃料電池FCは、フレーム4と各セパレータ5,5の縁部同士の間や、供給孔H1〜H3及び排出孔H4〜H6の周囲に、シール材6が設けてある。また、燃料電池FCを複数枚を積層した状態では、電池同士すなわち隣接するセパレータ5同士の間にもシール材6を設ける。 上記のシール材6は、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却流体の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、供給孔H1〜H3及び排出孔H4〜H6の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。   Further, the fuel cell FC is provided with a sealing material 6 between the frame 4 and the edges of the separators 5 and 5 and around the supply holes H1 to H3 and the discharge holes H4 to H6. In a state where a plurality of fuel cells FC are stacked, the sealing material 6 is also provided between the cells, that is, between the adjacent separators 5. The sealing material 6 hermetically separates the flow areas of the cathode gas, the anode gas, and the cooling fluid between the individual layers, and supplies the supply holes H1 to H3 and the predetermined holes so that a predetermined fluid flows between the layers. Openings are provided at appropriate locations on the periphery of the discharge holes H4 to H6.

上記の燃料電池FCは、先に述べたように、電極層であるカソード層2及びアノード層3の表面に、ガス透過性を有してガス拡散層として機能する金属多孔体23,33を備えている。そして、燃料電池FCは、金属多孔体23,33が、その外周側に、フレーム4のディフューザ部Dの領域を覆う張出部23A,33Aを備えている。   As described above, the fuel cell FC includes the porous metal bodies 23 and 33 that have gas permeability and function as gas diffusion layers on the surfaces of the cathode layer 2 and the anode layer 3 that are electrode layers. ing. In the fuel cell FC, the metal porous bodies 23 and 33 include projecting portions 23A and 33A that cover the region of the diffuser portion D of the frame 4 on the outer peripheral side thereof.

この実施形態の場合、金属多孔体23,33の張出部23A,33Aは、フレーム4を覆っていれば良いのであって、フレーム4に接合する必要はない。当然、接合により一体構造としても同様の効果を発揮することは言うまでもない。また、この実施形態では、前記張出部23A,33Aと、セパレータ5の凸部5Aとが互いに当接した構造になっている。この張出部23A,33A及び凸部5Aにあっても、互いに接合する必要はなく、単に当接していれば構わない。また、張出部23A,33Aと、セパレータ5の凸部5Aとが互いに接していなくても構わない。この場合、差圧でフレーム4が変形した際に接するようにしても構わない。   In the case of this embodiment, the overhang portions 23 </ b> A and 33 </ b> A of the metal porous bodies 23 and 33 only need to cover the frame 4, and need not be joined to the frame 4. Of course, it goes without saying that the same effect can be achieved even when the structure is integrated. In this embodiment, the overhang portions 23A and 33A and the convex portion 5A of the separator 5 are in contact with each other. Even in the overhang portions 23A, 33A and the convex portion 5A, it is not necessary to be joined to each other, and it is sufficient that they are simply in contact with each other. Further, the overhang portions 23A and 33A and the convex portion 5A of the separator 5 do not have to be in contact with each other. In this case, you may make it contact when the flame | frame 4 deform | transforms with a differential pressure.

上記の金属多孔体23,33は、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金網、金属メッシュ及び金属細線焼結体うちの少なくとも一つから成るものである。すなわち、金属多孔体23,33は、少なくとも厚さ方向のガス透過性を有している。   The metal porous bodies 23 and 33 are made of at least one of a foam metal, an expanded metal, a punching metal, an etching plate, a precision press working plate, a wire mesh, a metal mesh, and a metal fine wire sintered body. That is, the metal porous bodies 23 and 33 have at least gas permeability in the thickness direction.

また、金属多孔体23,33は、より望ましくは、厚さ方向のガス透過性だけでなく、面内方向のガス透過性をも有するものとする。この際、金属多孔体23,33は、例えば発泡金属、金網及び金属細線焼結体等のように、それ自体で面内方向のガス透過性を有するものでも良いし、厚さ方向に立体化する加工を施して面内方向のガス透過性を確保したものでも良い。例えば、平坦なパンチングメタルを断面波形状に加工することで、面内方向のガス透過性を確保することができる。   The porous metal bodies 23 and 33 more desirably have not only gas permeability in the thickness direction but also gas permeability in the in-plane direction. At this time, the metal porous bodies 23 and 33 may have a gas permeability in the in-plane direction per se, such as a foam metal, a wire mesh, and a fine metal wire sintered body, or may be three-dimensional in the thickness direction. It is also possible to secure the gas permeability in the in-plane direction by performing processing to be performed. For example, gas permeability in the in-plane direction can be ensured by processing a flat punching metal into a cross-sectional wave shape.

上記構成を備えた燃料電池FCは、カソード層2及びアノード層3の表面に金属多孔体23,33を備えているので、この金属多孔体23,33が、差圧入力や定常入力荷重を受け持つこととなり、フレーム4への応力が緩和される。   Since the fuel cell FC having the above-described configuration includes the porous metal bodies 23 and 33 on the surfaces of the cathode layer 2 and the anode layer 3, the porous metal bodies 23 and 33 are responsible for differential pressure input and steady input load. As a result, the stress on the frame 4 is relaxed.

また、この種の燃料電池では、運転状況等によりカソード側とアノード側との間でガスの差圧サイクルが発生し、一般的に梁長が大きくなる部分、すなわちディフューザ部Dにおけるフレーム4が差圧入力等の影響を受け易い。これに対して、燃料電池FCは、上記の差圧サイクルが発生しても、前記金属多孔体23,33により、フレーム4への応力を緩和して、同フレーム4の変形を抑制することができる。これにより、燃料電池FCでは、ガス流路Gの断面積を充分に確保して、反応用ガスの圧力損失の増加を防ぐことができる。   Also, in this type of fuel cell, a gas differential pressure cycle occurs between the cathode side and the anode side depending on the operating conditions, etc., and the portion where the beam length is generally increased, that is, the frame 4 in the diffuser part D is different. It is easily affected by pressure input. On the other hand, the fuel cell FC relieves stress on the frame 4 and suppresses deformation of the frame 4 by the metal porous bodies 23 and 33 even when the above-described differential pressure cycle occurs. it can. Thereby, in the fuel cell FC, a sufficient cross-sectional area of the gas flow path G can be secured to prevent an increase in the pressure loss of the reaction gas.

さらに、燃料電池FCは、上述の如くフレーム4への応力が緩和されるので、フレーム4の耐久性が向上すると共に、フレーム4を薄くしても、同フレーム4による膜電極接合体Mの支持機能を充分に維持することができ、全体の薄型化も実現し得るものとなる。   Further, since the stress on the frame 4 is relieved in the fuel cell FC as described above, the durability of the frame 4 is improved, and the membrane electrode assembly M is supported by the frame 4 even if the frame 4 is thinned. The function can be sufficiently maintained, and the overall thickness can be reduced.

さらに、燃料電池FCは、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックは、上記したフレーム4の変形抑制及びガス流路Gの断面積確保に伴って、高効率の発電を維持することができる。さらに、燃料電池スタックは、上記した燃料電池FCの薄型化に伴って、小型軽量化を実現することができる。このような燃料電池スタックは、自動車等の車両に搭載する電源として非常に好適なものとなる。   Furthermore, a plurality of fuel cells FC are stacked to constitute a fuel cell stack. This fuel cell stack can maintain high-efficiency power generation with the above-described deformation suppression of the frame 4 and securing of the cross-sectional area of the gas flow path G. Furthermore, the fuel cell stack can be reduced in size and weight as the fuel cell FC is made thinner. Such a fuel cell stack is very suitable as a power source mounted on a vehicle such as an automobile.

さらに、この実施形態の燃料電池FCは、セパレータ5の凸部5Aと、金属多孔体23,33の張出部23A,33Aとが互いに当接した構造であるから、張出部23A,33A及びフレーム4の厚さ方向の変位が抑制され、差圧サイクルによるフレーム4の変形抑制機能がより一層高いものとなる。   Furthermore, since the fuel cell FC of this embodiment has a structure in which the convex portion 5A of the separator 5 and the overhang portions 23A and 33A of the metal porous bodies 23 and 33 are in contact with each other, the overhang portions 23A and 33A and The displacement in the thickness direction of the frame 4 is suppressed, and the deformation suppressing function of the frame 4 due to the differential pressure cycle is further enhanced.

さらに、燃料電池FCは、金属多孔体23,33が、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金網、金属メッシュ及び金属細線焼結体うちの少なくとも一つから成るものとしたので、簡単な構成により、フレーム4への応力を緩和する機能を高めることができる。   Further, in the fuel cell FC, the porous metal bodies 23 and 33 are made of at least one of foam metal, expanded metal, punching metal, etching plate, precision press-worked plate, wire mesh, metal mesh, and metal fine wire sintered body. Therefore, the function of relieving stress on the frame 4 can be enhanced with a simple configuration.

さらに、燃料電池FCは、前記金属多孔体23,33が、厚さ方向及び面内方向のガス透過性を有するものであるから、ディフューザ部Dにおける実質的なガス透過面積が増加することとなり、これにより反応用ガスの圧力損失のさらなる低減を実現し得る。   Further, in the fuel cell FC, since the metal porous bodies 23 and 33 have gas permeability in the thickness direction and in the in-plane direction, the substantial gas permeation area in the diffuser portion D increases. Thereby, further reduction of the pressure loss of the reaction gas can be realized.

図4は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 4 is a diagram for explaining another embodiment of the fuel cell of the present invention. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図示の燃料電池FCは、膜電極接合体Mと、その外周部に配置したフレーム4と、膜電極接合体M及びフレーム4との間にガス流路Gを区画形成するセパレータ5を備えている。前記フレーム4とセパレータ5との間には、ガス流路Gの一部であるディフューザ部Dが形成してある。   The illustrated fuel cell FC includes a membrane electrode assembly M, a frame 4 disposed on the outer periphery thereof, and a separator 5 that partitions and forms a gas flow path G between the membrane electrode assembly M and the frame 4. . A diffuser portion D, which is a part of the gas flow path G, is formed between the frame 4 and the separator 5.

また、燃料電池FCは、電極層(2,3)の表面に、ガス透過性を有する多孔層22,32及び金属多孔体23,33を備え、片側の電極層(2)の金属多孔体23が、外周側に、フレーム4のディフューザ部Dの領域を覆う状態にして同フレーム4に接合した張出部23Aを備えている。図示例の燃料電池FCは、カソード層2の表面を形成する金属多孔体23に、張出部23Aが設けてある。   The fuel cell FC includes gas permeable porous layers 22 and 32 and metal porous bodies 23 and 33 on the surface of the electrode layer (2, 3), and the metal porous body 23 of the electrode layer (2) on one side. However, on the outer peripheral side, an overhang portion 23 </ b> A joined to the frame 4 so as to cover the region of the diffuser portion D of the frame 4 is provided. In the illustrated fuel cell FC, the metal porous body 23 that forms the surface of the cathode layer 2 is provided with an overhang 23A.

つまり、先の実施形態では、カソード層2及びアノード層3の各金属多孔体(23,33)の張出部(23A,33A)が、フレーム4のディフューザ部Dの領域を覆った構成である。これに対して、この実施形態では、カソード層2における金属多孔体23の張出部23Aが、フレーム4のディフューザ部Dの領域を覆うだけではなく、同フレーム4に接合した構成である。   That is, in the previous embodiment, the projecting portions (23A, 33A) of the metal porous bodies (23, 33) of the cathode layer 2 and the anode layer 3 cover the region of the diffuser portion D of the frame 4. . On the other hand, in this embodiment, the protruding portion 23A of the porous metal body 23 in the cathode layer 2 not only covers the region of the diffuser portion D of the frame 4, but is joined to the frame 4.

ここで、上記の燃料電池FCは、先述したように燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックは、所定の燃料電池システムにより運転される。燃料電池システムには、アノードガスの流通を供給側から排出側へ一方向にしたアノードデッドエンドシステムと呼ばれるものがある。このような燃料電池システムでは、アノードガスの供給や生成水の排出を効率的に行うために、アノードガスの供給圧力を脈動させる。このとき、カソードガスの圧力はほぼ一定であると共に、アノードガスの上限・下限圧力をカソードガスの圧力よりも大きく設計することができる。   Here, the fuel cell FC constitutes a fuel cell stack as described above. This fuel cell stack is operated by a predetermined fuel cell system. Some fuel cell systems are called anode dead end systems in which the flow of anode gas is unidirectional from the supply side to the discharge side. In such a fuel cell system, the anode gas supply pressure is pulsated in order to efficiently supply the anode gas and discharge the generated water. At this time, the pressure of the cathode gas is substantially constant, and the upper and lower pressures of the anode gas can be designed to be larger than the pressure of the cathode gas.

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池FCには、カソード側とアノード側との間に差圧が繰り返し発生し、このような差圧サイクルにより、とくに梁長が大きくなる部分、すなわちディフューザ部Dの領域に対応するフレーム4が繰り返し変形する。   In such a fuel cell system, in the fuel cell FC, a differential pressure is repeatedly generated between the cathode side and the anode side, and a portion where the beam length is particularly increased by such a differential pressure cycle, that is, a diffuser portion D. The frame 4 corresponding to this area is repeatedly deformed.

そこで、この実施形態の燃料電池FCでは、片側の電極層(2)の金属多孔体23に張出部23Aを設け、この張出部23Aとフレーム4とを接合することで、張出部23Aによりフレーム4の変形を抑制する。これにより、燃料電池FCは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。   Therefore, in the fuel cell FC of this embodiment, the overhanging portion 23A is provided on the metal porous body 23 of the electrode layer (2) on one side, and the overhanging portion 23A and the frame 4 are joined together, thereby the overhanging portion 23A. Thus, deformation of the frame 4 is suppressed. Thereby, the fuel cell FC can obtain the same operation and effect as the previous embodiment.

上記の燃料電池FCは、張出部23Aとフレーム4とを接合することから、片側の電極層に張出部23Aを設けておけば、フレーム4の変形を抑制する一定の効果を得ることができる。ただし、燃料電池FCは、カソード側及びアノード側のうちのガス圧力が低い側の電極層(2)において、その金属多孔体(23)に張出部(23A)を設けた構成にすることがより望ましい。   Since the fuel cell FC joins the overhang 23A and the frame 4, if the overhang 23A is provided on one electrode layer, a certain effect of suppressing the deformation of the frame 4 can be obtained. it can. However, the fuel cell FC may have a configuration in which an overhang portion (23A) is provided in the porous metal body (23) in the electrode layer (2) on the cathode side and the anode side where the gas pressure is low. More desirable.

これは、ガス圧力が高い側の電極層に張出部を設けた場合,構造上では、フレーム4とセパレータ突条部5Aが当接し、フレーム4の特性に依存して、クリープ変形することになる。これに対して、ガス圧力が低い側の電極層に張出部を設ければ、金属多孔体の特性に依存してクリープ変形が発生することになるため、フレーム4及び張出部の低圧力側への変位を緩和することができる。つまり、構造的に変位を阻止し得るものとなる。   This is because, when an overhang portion is provided on the electrode layer on the side where the gas pressure is high, the frame 4 and the separator protrusion 5A abut on the structure, and creep deformation occurs depending on the characteristics of the frame 4. Become. On the other hand, if an overhang portion is provided in the electrode layer on the low gas pressure side, creep deformation occurs depending on the characteristics of the metal porous body. The lateral displacement can be reduced. That is, the displacement can be structurally prevented.

そこで、燃料電池FCは、より望ましい実施形態として、ガス圧力が低い側の電極層に張出部を設けており、上記した燃料電池システムに適用する場合には、ガス圧力が低い側の電極層であるカソード層2の金属多孔体23に張出部23Aを設ける。これにより、上記の燃料電池FCは、カソード側とアノード側とのガスの差圧によるフレーム4の変形をより確実に防ぐことができ、先の実施形態と同様に、耐久性や発電機能の向上、電池全体の薄型化を実現すると共に、燃料電池スタックの小型軽量化等に貢献する。   Therefore, as a more preferable embodiment, the fuel cell FC is provided with an overhang portion on the electrode layer on the low gas pressure side. When applied to the fuel cell system described above, the electrode layer on the low gas pressure side is provided. The overhanging portion 23A is provided in the metal porous body 23 of the cathode layer 2 as described above. As a result, the fuel cell FC can more reliably prevent the deformation of the frame 4 due to the gas pressure difference between the cathode side and the anode side, and the durability and power generation function can be improved as in the previous embodiment. In addition to making the entire battery thinner, it contributes to reducing the size and weight of the fuel cell stack.

本発明に係る燃料電池は、その構成が上記各実施形態のみ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で、燃料電池全体の形状や、各部品の形状及び材料などを含めて構成の細部を適宜変更することが可能である。   The configuration of the fuel cell according to the present invention is not limited to only the above-described embodiments, and includes the shape of the entire fuel cell, the shape and material of each component, and the like without departing from the gist of the present invention. The details of the configuration can be changed as appropriate.

D ディフューザ部
FC 燃料電池
G ガス流路
M 膜電極接合体
1 電解質膜
2 カソード層(電極層)
3 アノード層(電極層)
4 フレーム
5 セパレータ
23 金属多孔体
23A 張出部
33 金属多孔体
33A 張出部
D Diffuser part FC Fuel cell G Gas flow path M Membrane electrode assembly 1 Electrolyte membrane 2 Cathode layer (electrode layer)
3 Anode layer (electrode layer)
4 Frame 5 Separator 23 Metal porous body 23A Overhang 33 Metal porous body 33A Overhang

Claims (6)

電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体及びフレームとの間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にガス流路の一部であるディフューザ部を形成した燃料電池であって、
電極層の表面に、ガス透過性を有する金属多孔体を備え、
金属多孔体が、外周側に、フレームのディフューザ部の領域を覆う張出部を備えていることを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode layers, a frame disposed on an outer peripheral portion of the membrane electrode assembly, and a separator that forms a gas flow path between the membrane electrode assembly and the frame And a fuel cell in which a diffuser part which is a part of a gas flow path is formed between the frame and the separator,
Provided with a porous metal body having gas permeability on the surface of the electrode layer,
A fuel cell, characterized in that the porous metal body has an overhanging portion that covers the region of the diffuser portion of the frame on the outer peripheral side.
電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体及びフレームとの間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にガス流路の一部であるディフューザ部を形成した燃料電池であって、
電極層の表面に、ガス透過性を有する金属多孔体を備え、
片側の電極層の金属多孔体が、外周側に、フレームのディフューザ部の領域を覆う状態にして同フレームに接合した張出部を備えていることを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode layers, a frame disposed on an outer peripheral portion of the membrane electrode assembly, and a separator that forms a gas flow path between the membrane electrode assembly and the frame And a fuel cell in which a diffuser part which is a part of a gas flow path is formed between the frame and the separator,
Provided with a porous metal body having gas permeability on the surface of the electrode layer,
A fuel cell, wherein the porous metal body of the electrode layer on one side includes an overhanging portion bonded to the frame so as to cover a region of the diffuser portion of the frame on the outer peripheral side.
前記片側の電極層が、カソード側及びアノード側のうちのガス圧力が低い側の電極層であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 2, wherein the electrode layer on one side is an electrode layer on a cathode gas side or an anode side on which a gas pressure is low. 4. 前記金属多孔体が、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、金網、金属メッシュ及び金属細線うちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。 Wherein the metal porous body, foamed metal, expanded metal, punching metal, etching plates, gold network, to any one of claims 1-3, characterized in that it consists of at least one of the metal mesh and the metal thin wire The fuel cell as described. 前記金属多孔体が、厚さ方向及び面内方向のガス透過性を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the porous metal body has gas permeability in a thickness direction and an in-plane direction. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池を複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。   A fuel cell stack comprising a plurality of the fuel cells according to any one of claims 1 to 5 stacked together.
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