JP2007095669A - Electrolyte film-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体、及び当該電解質膜−電極接合体を使用してなる燃料電池に関するものである。特に、本発明は、電解質膜からの気体(特に水蒸気)透過が有効に抑制・防止される電解質膜−電極接合体、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体、及び当該電解質膜−電極接合体を使用してなる燃料電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter, also simply referred to as “MEA”), in particular, an electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells, and a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly. It is. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells, and the electrolyte membrane-electrode assembly, in which permeation of gas (especially water vapor) from the electrolyte membrane is effectively suppressed / prevented. The present invention relates to a fuel cell using
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers.
上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H2→4H++4e−)。次に、生成したプロトンは、アノード側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにアノード側電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、アノード側電極触媒層を構成している導電性担体、さらにアノード側電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O2+4H++4e−→2H2O)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となるのである。 In the polymer electrolyte fuel cell having the MEA as described above, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e − ). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the anode-side electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the anode-side electrode catalyst layer, and reach the cathode-side electrode catalyst layer. Further, the electrons generated in the anode side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the anode side electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a side different from the polymer electrolyte membrane of the anode side electrode catalyst layer, The cathode side electrode catalyst layer is reached through the separator and the external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
従来、このようなMEAの構造について様々な検討がなされている。 Conventionally, various studies have been made on the structure of such an MEA.
例えば、固体高分子電解質型燃料電池では、従来、ガス供給溝内の燃料ガスや酸化剤ガスがMEAの積層面を介して外部に漏れないように、間隙を保持して電極触媒層の周囲部に額縁状にガスシール部が設けられていたが、このような間隙部分は、固体高分子電解質膜に加わる反応ガスの差圧や膜のクリープにより機械的ストレスを受けやすく、固体高分子電解質膜が破損するという問題があった。この問題を解消するために、当該破損の生じやすい電極触媒層とガスシール材との間の隙間部分に、補強膜/保護膜を配置することが報告されている(特許文献1,2)。
For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell, conventionally, a gap is maintained around the electrode catalyst layer so that fuel gas and oxidant gas in the gas supply groove do not leak to the outside through the laminated surface of the MEA. The gas seal portion was provided in the shape of a frame, but such a gap portion is susceptible to mechanical stress due to the differential pressure of the reaction gas applied to the solid polymer electrolyte membrane and the creep of the membrane, and the solid polymer electrolyte membrane There was a problem of being damaged. In order to solve this problem, it has been reported that a reinforcing film / protective film is disposed in a gap between the electrode catalyst layer and the gas sealing material, which are easily damaged (
また、従来の固体高分子型燃料電池では、セパレータとガスケット層との間に隙間が生じ、燃料あるいは酸化剤ガスがリークして性能が低下したり、セパレータと電極との密着性が十分に確保できず、所望の発電特性が発現しないことがあった。そこで、このような問題を解消するために、ガスケット層を有する電解質膜−電極接合体をセパレータで狭持した単セルにおいて、セパレータで狭持する前のガスケット層(ガスシール)の厚みを電極の厚みよりも薄くした単セルが開示されている(特許文献3)。特許文献3によれば、電極とガスケット層の厚みを適正化することによって、セパレータとガス拡散電極との密着性を改善して、燃料流路及び酸化剤流路が確実に形成されるとともに、ガス拡散電極とセパレータの導電性も確保でき、優れた発電特性を発現しうる固体高分子型燃料電池を提供できることを目的とするものである。
しかしながら、上記特許文献1〜3に開示されるMEAでは、電解質膜周辺の表面にはガスのリークを防ぐために補強膜/保護膜(特許文献1,2)やガスシール(特許文献3)が設けられているが、電解質膜側面部は開放しており、ガスシール構造が設けられていない。このため、上記したようにカソード電極触媒層側で生成した水の一部が気体(水蒸気)として電解質膜末端側面部を通じて外部に排出されてしまい、カソード電極触媒層側での生成水の存在により、電解質膜の適度に湿った状態を維持することができない。このため、このような構造では、電解質膜が乾燥して、強度が低下してしまったり、また、外部雰囲気の湿度が上がってしまったりして、MEAの耐久性や発電性能が低下してしまうという問題があった。
However, in the MEA disclosed in
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、電解質膜の乾燥を抑制・防止し、耐久性が向上した電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly in which drying of the electrolyte membrane is suppressed / prevented and durability is improved.
また、本発明の他の目的は、電解質膜が安価な材料でかつ簡易にエッジシールされた構造を有する電解質膜−電極接合体を提供するである。 Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly having a structure in which the electrolyte membrane is an inexpensive material and is simply edge-sealed.
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、カソード触媒層とアノード触媒層の外周部に相当する電解質膜表面にはガスケットを形成すると同時に、電解質膜側面部(外周部)またはガスケット間に位置するいずれかの部分に、触媒層の側面および電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止するシールを設けることによって、電解質膜面方向からのガス(酸素、水素及び水蒸気を含む)リークや触媒層の側面および電解質膜の側面方向からのガス、特に水蒸気の蒸散(透過)といったガス漏れ防止機能は、ガスケット及びシールにより有効に防止できることを見出し、ゆえに、このような構造を有するMEAは電解質膜が乾燥したり、また外部雰囲気の湿度が過度に上がるという現象が起こらないため、耐久性に優れたものとなることを見出した。また、前記シールを前記電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止する水蒸気シール部材と、前記水蒸気シール部材若しくは前記電解質層と前記ガスケットとを接着して前記触媒層の側面からの気体の漏洩を防止する接着部(接着層)とから構成し、シールの一部である前記水蒸気シール部材(前記電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止できるよう配された部位)を圧縮応力のかかりやすいリップ下に配置することによって、電解質膜のつぶれや破断を抑制・防止することにより、MEA各層のホットプレスによる接合時や電池を組み立てる際の締結圧などによる電解質膜の経時的な劣化を有効に抑制・防止できることをも見出した。上記知見に基づいて、本発明は完成した。 As a result of diligent research to solve the above problems, the inventors of the present invention formed a gasket on the surface of the electrolyte membrane corresponding to the outer peripheral portion of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and at the same time the side surface portion of the electrolyte membrane (outer periphery). Gas) from the direction of the electrolyte membrane surface (oxygen, hydrogen and water vapor) by providing a seal that prevents gas leakage from the side surface of the catalyst layer and the side surface of the electrolyte membrane at any part located between the gasket and the gasket. It has been found that gas leakage prevention functions such as leakage, gas from the side surface of the catalyst layer and the side surface of the electrolyte membrane, in particular, transpiration (permeation) of water vapor, can be effectively prevented by the gasket and the seal. MEA having excellent durability because the electrolyte membrane does not dry and the humidity of the external atmosphere does not rise excessively. It has been found to become. In addition, the water vapor sealing member that prevents the gas from leaking from the side surface of the electrolyte membrane and the water vapor sealing member or the electrolyte layer and the gasket are adhered to the seal to prevent gas leakage from the side surface of the catalyst layer. A lip composed of an adhesive portion (adhesive layer) to prevent and compressing the water vapor seal member (part arranged to prevent gas leakage from the side surface of the electrolyte membrane) which is a part of the seal. By placing it underneath, it suppresses and prevents the electrolyte membrane from collapsing and breaking, thereby effectively suppressing deterioration of the electrolyte membrane over time due to the joining pressure of each MEA layer by hot pressing or when the battery is assembled.・ We also found that it can be prevented. Based on the above findings, the present invention has been completed.
すなわち、上記目的は、電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、
前記アノード触媒層およびカソード触媒層の側面、並びに前記電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止するシールと、
前記シールの両面に設けられるガスケットと、を備え、
前記シールの一部は、前記電解質膜と前記ガスケットとを接着する接着部を形成し、
前記接着部は、前記アノード触媒層及びカソード触媒層の面方向における外周部分に、前記アノード触媒層の側面及びカソード触媒層の側面からのガス漏れを防止できるように配置される、電解質膜−電極接合体によって達成される。
That is, the purpose is to provide an electrolyte membrane,
An anode catalyst layer provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer provided on the other surface of the electrolyte membrane;
Seals for preventing gas leakage from the side surfaces of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, and the side surfaces of the electrolyte membrane;
A gasket provided on both sides of the seal,
A part of the seal forms an adhesive part that bonds the electrolyte membrane and the gasket,
The electrolyte membrane-electrode is disposed such that the adhesion portion can prevent gas leakage from a side surface of the anode catalyst layer and a side surface of the cathode catalyst layer at outer peripheral portions in the surface direction of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. Achieved by the joined body.
本発明によれば、触媒層の側面および電解質膜の側面方向からの水蒸気透過を防いで、膜の乾燥を有効に抑制・防止できる。このため、本発明に係る構造を有する電解質膜−電極接合体は耐久性に優れる。 According to the present invention, water vapor permeation from the side surface of the catalyst layer and the side surface of the electrolyte membrane can be prevented, and drying of the membrane can be effectively suppressed / prevented. For this reason, the electrolyte membrane-electrode assembly having the structure according to the present invention is excellent in durability.
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1Aは、本発明のMEAにおける電解質膜の側方外周部及び最外周部を説明する断面概略図である。図1B〜図1Gは、本発明のMEAにおける電解質膜におけるシールの配置の代表的な各種の実施形態例を示す断面概略図である。 FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating a lateral outer periphery and an outermost periphery of an electrolyte membrane in an MEA of the present invention. 1B to 1G are schematic cross-sectional views showing various exemplary embodiments of the arrangement of seals in the electrolyte membrane in the MEA of the present invention.
本発明は、図1B〜1Gに示すように、電解質膜2と、前記電解質膜2の一方の面に設けられたアノード触媒層4aと、前記電解質膜2の他方の面に設けられたカソード触媒層4cと、前記アノード触媒層4aおよびカソード触媒層4cの側面、並びに前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止するシール3,7a,7cと、前記シール7a,7aの両面に設けられるガスケット6a,6cとを備え、前記シールの一部は、前記電解質膜2と前記ガスケット6a,6cとを接着する接着部7a,7cを形成し、前記接着部7a,7cは、前記アノード触媒層4a及びカソード触媒層4cの面方向における外周部分に、前記アノード触媒層4aの側面及びカソード触媒層4cの側面からのガス漏れを防止できるように配置される、MEA1に関するものである。別言すれば、前記シールの一部7a,7cで前記電解質膜2と前記ガスケット6a、6cとを接着し、前記接着部(接着層)7a,7cはアノード触媒層4aおよびカソード触媒層4cと少なくとも同一面に触媒層4a、4cの側面からの気体の漏洩を防止できるよう配されたMEA1に関するものともいえる。
1B-1G, the present invention includes an
本発明のMEA1に用いられる電解質膜2としては、特に限定されず公知の高分子電解質からなる膜を用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。
The
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホン、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone, polysulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkylphosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, poly A suitable example is phenylsulfonic acid.
高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.
また、デュポン社製の各種のナフィオン(登録商標、デュポン社製)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。または、上記電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。 In addition, various Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membranes, Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on trifluorostyrene, and hydrocarbon polymer resin membranes with sulfonic acid groups, such as solid polymer electrolyte membranes that are generally commercially available, polymer microporous A membrane in which a membrane is impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. Alternatively, the electrolyte membrane may be made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte or a membrane made of a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group. You may use what formed the porous thin film impregnated with electrolyte components, such as phosphoric acid and an ionic liquid.
前記電解質膜2の厚みは、得られるMEA1の特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。
The thickness of the
図1B〜図1Gに示す本発明の実施形態において、前記シールは、前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止する水蒸気シール部材(前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止できるよう配された部位)3と、前記水蒸気シール部材3若しくは前記電解質層2と前記ガスケット6a,6cとを接着して前記触媒層4a,4cの側面からの気体の漏洩を防止する接着層(前記触媒層4a,4cの側面からの気体の漏洩を防止できるよう配された部位)7a,7cとから構成され、前記シールの一部である前記水蒸気シール部材3は、ガスケット6a、6bの間に少なくとも1部が形成されてなるものである。言い換えれば、前記水蒸気シール部材3の少なくとも1部は、電解質膜2の側方外周部の少なくとも一部に配置されているということもできる。あるいは前記水蒸気シール部材3は、電解質膜2の側方外周部の一部を少なくとも含むように配置されているということもできる。この際、「電解質膜の側方外周部」とは、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4bの少なくとも一方の側のガスケット6a乃至6bと接する電解質膜部分(図1Aの矢印部分)全部を意味する。本発明では、上記「電解質膜部分(図1Aの矢印部分)」に、電解質膜2中に形成された前記水蒸気シール部材3のほか、電解質膜2とは別に形成された前記水蒸気シール部材3や隙間10や電解質膜2自身、更には後述する補強層3’等が配置されることもある(図1B〜1G、図5D等参照のこと)。よって、前記水蒸気シール部材3は、電解質膜2の側方外周部のガスケット6a、6bの間に少なくとも1部が形成されていればよい。例えば、(a)電解質膜2の一部(内側)に前記水蒸気シール部材3を形成してもよい。以下に説明する図1C、1Fがこれに該当する。あるいは(b)電解質膜2とは別に該電解質膜2の末端(最外周部)よりも外側に(該電解質膜2の末端(最外周部)と密着して、あるいは離して)前記水蒸気シール部材3を形成してもよい。以下に説明する図1Gがこれに該当する。なお、図1B、1D、1Eは、前者(a)に該当するように形成してもよいし、後者(b)に該当するように形成してもよい。
In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1B to FIG. 1G, the seal can prevent the leakage of gas from the side surface of the electrolyte membrane 2 (the leakage of gas from the side surface of the
このため、「水蒸気シール部材3の少なくとも1部が、電解質膜の側方外周部の少なくとも一部に配置される」とは、水蒸気シール部材3が、電解質膜2の側方外周部のうちガスケット6a乃至6bと接する部分の少なくとも一部(図1Aの矢印部分内の少なくとも一部)を含むように設けられていることを意味する。
For this reason, “at least a part of the water
なお、本発明では、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4cが異なる位置に形成される場合には、水蒸気シール部材3は、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4cの少なくとも一方の側のガスケット6a,6cと接する電解質膜2部分に配置されればよいが、好ましくは双方の触媒層側のガスケット6a,6cと接する電解質膜2部分に配置される。
In the present invention, when the
すなわち、本発明による水蒸気シール部材3の配置位置としては、例えば、図1Bに示されるように水蒸気シール部材3が電解質膜2の末端(最外周部)に形成される場合;図1Cに示されるように水蒸気シール部材3がガスケット6a,6c中間部付近に相当する位置で電解質膜2中に形成される場合;図1Dに示されるように水蒸気シール部材3が電解質膜2の端部から膜中央部に向かってガスケット6a,6c間に形成される場合;図1Eに示されるように水蒸気シール部材3が電解質膜2の端部からガスケット6a,6cとガス拡散層5a,5cとの接合面9a,9cを超えて形成される場合;及び図1Fに示されるように水蒸気シール部材3がガスケット6a,6cとガス拡散層5a,5cとの接合面9a,9cをまたぐように電解質膜2中に形成される場合などいずれの場合をも包含する。なお、図1E及び図1Fは、アノード側及びカソード側のガスケット6a,6cとガス拡散層5a,5cとの接合面9a,9cが、MEA1の厚み方向に対して、同位置である態様を示したが、これらの接合面9a,9cがMEA1の厚み方向に対して異なる場合には、接合面9a,9cの少なくともいずれか一方をまたぐように形成されればよいが、少なくともカソード側のガス拡散層5cとガスケット6cとの接合面9cを含むように、水蒸気シール部材3が形成されることが好ましい。特にカソード側で水が形成するからである。また、図1B〜Fにおいては、電解質膜2の端部と水蒸気シール部材3の端部が密接に貼り合わさった例(電解質膜2中に水蒸気シール部材3が形成された例を含む)が示されているが、図1Gに示されるように、電解質膜2の端部と水蒸気シール部材3の端部との間には隙間10があってもよい。即ち、電解質膜2とは別に水蒸気シール部材3が形成されていてもよい。このような場合であっても、電解質膜2の上下(面)方向の気体の漏洩(ガスリーク)、並びに触媒層4a,4cの側面および電解質膜2の側面方向の気体の漏洩(ガスリーク)は、ガス不透過性のガスケット6a,6c及びシール(水蒸気シール部材3、接着層7a,7c)により抑制・防止できるからである。
That is, as the arrangement position of the water
上記例示のうち、水蒸気シール部材3は、電解質膜2の最外周部の少なくとも一部を含むように配置されることが好ましい。このような構造であれば、電解質膜2の側面部からの水蒸気の透過を効果的に抑制・防止して、電解質膜2の湿度を良好に維持できるからである。また、このような構造は、例えば、図1C、1Fに示されるように、ガスケット6a,6c間の電解質膜2中の側方外周部途中に水蒸気シール部材3を形成する場合に比して、水蒸気シール部材3の形成工程をより簡単に行なうことができる。本明細書において、「電解質膜の最外周部」とは、アノード触媒層4a側および/またはカソード触媒層4c側のガスケット6a乃至6cと接する電解質膜部分のうち最も触媒層から離れた部分を意味し、図1B、1D及び1Eに示されるように水蒸気シール部材3が電解質膜2の端部を含むように形成される場合を包含する。
Among the above examples, the water
また、前記シールが、前記水蒸気シール部材3と、前記接着層7a,7cとからなり、このうち前記水蒸気シール部材3が、前記電解質膜−電極接合体1の厚さ方向において、少なくとも、ガスケット6a,6cに反力がかかる部位に相当する位置に配置されることが好ましい。ここで、「ガスケットに反力がかかる部位」とは、MEA1の厚み方向で圧縮圧力がかかる部位をいう。例えば、固体高分子型燃料電池では、上記従来技術の項で述べたように、電解質膜−電極接合体をセパレータで挟持した構造となっており、各触媒層にガス拡散層を介して配置されるセパレータから燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるが、このガスが独立して流れかつ外部に漏れないように、MEAをセパレータで挟持する際にシール用の凸部(リップ)がガスケット上に配置される。このため、シール用の凸部の配置部位には、MEAをセパレータで挟持する際に圧縮圧力がかかる。ここで、シール用の凸部の配置部位に電解質膜があると、電解質膜は膜厚が薄くかつ強度が低いので、圧縮応力により膜がつぶれてアノード触媒層とカソード触媒層が接触して短絡が起こったりするおそれがある。これに対して、前記電解質膜−電極接合体1の厚さ方向において、以下に詳述するように接着剤や圧縮弾性率の高い材料で形成した水蒸気シール部材3をガスケット6a,6cに反力がかかる部位に配置することによって、セパレータによるMEAの挟持時/後も圧縮応力により電解質膜がつぶれることがない。このような場合の水蒸気シール部材3の配置位置は、例えば、固体高分子型燃料電池の場合には、前記電解質膜−電極接合体1の厚さ方向において、シール用の凸部の少なくとも一部を含むような位置であればよく、特に制限されない。
The seal is composed of the water
図2A〜2Bは、本発明のMEAにおける水蒸気シール部材とシール用の凸部(リップ)の位置関係の代表的な実施形態例をそれぞれ説明する断面概略図である。 2A to 2B are schematic cross-sectional views illustrating exemplary embodiments of the positional relationship between the water vapor sealing member and the sealing convex portion (lip) in the MEA of the present invention.
水蒸気シール部材3とシール用の凸部(リップ)8a,8cの位置関係としては、図2Aに示されるように、電解質膜−電極接合体1の厚さ方向において、シール用の凸部8a、8cを完全に含むように、水蒸気シール部材3が配置されることが好ましい。ここでいう位置関係は、シール用の凸部8a、8cを電解質膜部分(図1Aの矢印部分)上に投影した領域(位置)と、電解質膜部分における水蒸気シール部材3の位置との関係を言うものとする(以下、同様とする。)。また、アノード側のシール用の凸部8aとカソード側のシール用の凸部8cとが異なる位置に配置されている場合には、図2Bに示されるように、双方のシール用の凸部8a、8cを完全に含むように水蒸気シール部材3が配置されることが好ましい。
As shown in FIG. 2A, the positional relationship between the water
なお、図2A,2Bでは、シール用の凸部8a、8cの断面形状が三角形であったが、この形状は、電解質膜−電極接合体1のシール性を向上させることが可能であれば特に制限されず、断面形状が、三角以上の多角形(例えば、正方四辺形、長方形などの四角形や五角形、六角形など)、円柱、円錐台、多角柱、および多角錐台などが挙げられる。また、シール用の凸部8a、8cが形成される部位は、電解質膜−電極接合体1のシール性を向上させることが可能であれば特に制限されず、ガスケット6a、6cの少なくとも一部と接して形成されればよい。また、ガスや冷却媒体などの流路等により形成されたセパレータの凹部を埋めるようにシール用の凸部8a、8cが点在していてもよく、電解質膜2上の電極(触媒層)の周囲部を取り囲むように額縁状にシール用の凸部8a、8cが形成されていてもよい。この他にもガスケット6a、6c上に形成されたシール用の凸部8a、8cが、セパレータにも形成されたシール用の凸部(図示せず)の間に嵌め込まれるように、ガスケット6a、6c上にシール用の凸部8a、8cが形成されてもよく、シール用の凸部(シール部材)8a、8cがOリング状に、独立した形態をとってもよい。
2A and 2B, the cross-sectional shape of the sealing
また、シール用の凸部8a、8cの材質は、セパレータと電解質膜−電極接合体1とのシール性を確保できる材料であれば特に制限されないが、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが好ましく挙げられる。これらの材料であれば、弾性変形により電解質膜−電極接合体とセパレータとを密着させることができガスシール性が向上する。
The material of the projecting
本発明において、水蒸気シール部材3は、図1B〜1G,図2A,2Bに示すように、ガスケット6a、6bの間に少なくとも1部が形成されていればよいが、電解質膜2の周辺部のガス(特に水蒸気)シール性が可能な限り高度に保たれていることが好ましい。そのため、水蒸気シール部材3は、電解質膜2の側方外周部において、一筆書きのように途中で中断されないように形成されることが好ましい。この際、水蒸気シール部材3の形状は、途中で中断されないように形成されれば特に制限されない。
In the present invention, as shown in FIGS. 1B to 1G and FIGS. 2A and 2B, the water
図3A〜3Cは、本発明のMEAにおける電解質膜及び水蒸気シール部材が形成される位置関係の代表的な実施形態例をそれぞれ説明する平面概略図である。 3A to 3C are schematic plan views illustrating exemplary embodiments of the positional relationship in which the electrolyte membrane and the water vapor seal member are formed in the MEA of the present invention.
電解質膜2及び水蒸気シール部材3が形成される位置関係としては、例えば、図3A(図1Bの場合に相当)や図3B(図1Cの場合に相当)のように電解質膜2に対して同心状に配置されてもよい。あるいは図3Cのように電解質膜2の側方外周部を不定形で一周するように配置されてもよく、いずれでもよい。水蒸気シール部材3の形成のしやすさなどを考慮すると、電解質膜2に対して同心状に配置される場合が好ましい。なお、図3A〜3Cにおいては、電解質膜2が長方形の場合を記載したが、本発明による電解質膜2は上記形状に限定されるものではなく、いずれの形状であってもよい。また、水蒸気シール部材3の幅もまた、一定である必要はなく、例えば、水蒸気の透過が起こり易い部位の幅は広くするなど、適宜選択できる。形成のしやすさなどを考慮すると、水蒸気シール部材3の幅は一定であることが好ましい。また、水蒸気シール部材3の大きさは、図1B〜図1G(更には図2A、B、図3A〜C、図4、図5A〜D、図6A、B参照)に示されるように、様々な大きさが適用でき、特に制限されない。しかしながら、水蒸気シール部材3の厚みは、使用される電解質膜2の厚みと同等であることが好ましい。電解質膜2からの水蒸気の透過を完全に防止できるからである。
The positional relationship in which the
本発明において、水蒸気シール部材3は、いずれの材料によって形成されてもよいが、水蒸気透過性や圧縮応力に対する耐性などを考慮すると、接着剤で形成される、あるいは電解質膜2よりも圧縮弾性率の高い材料で形成されることが好ましい。前者の場合の水蒸気シール部材3の形成方法は特に制限されないが、例えば、電解質膜2の所定の位置(例えば、電解質膜2の側方外周部)に接着剤を含浸する方法(図1B〜図1F等参照)、電解質膜2あるいは電解質膜2の側方外周部の前記ガスケット6a,6cの間の所定の位置に接着部材を配置する方法(図1G等参照)などが使用できる。このような方法を使用することによって、水蒸気シール部材3が容易にかつ簡便に形成でき、かつ上記方法は水蒸気シール部材3の形成位置を正確に制御することができる。この際使用できる接着剤としては、水蒸気を透過しないものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。これらのうち、接着のしやすさ、正確な接着位置及び長時間接着力などを考慮すると、ホットメルト系接着剤が好ましく使用される。ホットメルト系接着剤を使用する際のホットメルト系接着剤の溶融温度は、取り扱い性(電解質膜への含浸のしやすさ、接着部材の形成しやすさ)、電解質膜の劣化温度、燃料電池としての使用温度での耐久性などを考慮すると、25〜150℃、より好ましくは70〜120℃であることが好ましい。
In the present invention, the water
電解質膜2の所定の位置(例えば、電解質膜2の側方外周部)に接着剤を含浸させることによって水蒸気シール部材3を形成する場合(図1B〜図1F参照)の具体的な方法は、特に制限されない。例えば、電解質膜2の所定の部位を、100〜180℃で予め溶融させておいたホットメルト系接着剤中に、浸漬する方法;上記と同様にして溶融させたホットメルト系接着剤を、電解質膜2の所定の部位に、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知方法によって塗布するなどの方法が使用できる。
A specific method in the case where the water
また、電解質膜2あるいは電解質膜2の側方外周部の前記ガスケット6a,6cの間の所定の位置、例えば、電解質膜の末端(最外周部)よりも外側(側方外周部)の前記ガスケット6a,6cの間に、該電解質膜2の末端と密着した位置あるいは該電解質膜2の末端から離れた位置に接着部材を配置することによって水蒸気シール部材3を形成する場合(図1G参照)の具体的な方法は、特に制限されない。例えば、100〜180℃で予め溶融させておいたホットメルト系接着剤を転写用台紙に所定の厚みに塗布、硬化させて電解質膜2とは別に接着部材(水蒸気シール部材3)を形成し、これを、電解質膜2の端部に密着させて或いは隙間10ができるように離して接着する;転写用台紙上に、アノードとカソードをそれぞれ別々に、ガス拡散層5及びガスケット6を形成し、さらにガス拡散層5上に触媒層4を、及びガスケット6上に前記接着層(接着部)7を順次形成して積層体を形成した後、アノード及びカソード積層体のいずれか一方の積層体の所定の位置に電解質膜2を置き、残りの位置に上記と同様の温度で溶融させた接着剤を塗布して接着部材を配置することによって水蒸気シール部材3を形成するなどの方法が使用できる(その後、もう一方の積層体を貼り合わせることで、ガス拡散層5を備えたMEA1を形成することができる。)。また、接着層(接着部)7a、7cと接着部材(水蒸気シール部材3)に使用される接着剤が同じである場合には、転写用台紙上にガス拡散層5及びガスケット6を形成し、さらにガス拡散層5上に触媒層4を形成し、さらにガスケット6上に接着層(接着部)7及び接着部材(水蒸気シール部材3)を同時に形成した後、残りの部分に電解質膜2をおいてもよい。なお、接着層(接着部)7a、7cは、図1B〜図1Gに示すように触媒層4a,4cと同じ厚さ(=前記アノード触媒層4a及びカソード触媒層4bの面方向における外周部分;別言すれば、触媒層4a,4cと同一面)に配されていればよく、触媒層4a,4cよりも厚くてもよいので、上記するように、触媒層4a,4cと「少なくとも同一面に」・・・配されていればよいといえる。
Further, the gasket at a predetermined position between the
または、上述したように、水蒸気シール部材3は、電解質膜2よりも圧縮弾性率の高い材料で構成されていてもよい。電解質膜2よりも圧縮弾性率の高い(即ち、つぶれにくい)材料で形成された水蒸気シール部材3を前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向において、ガスケット6a,6cに反力がかかる部位に配置すれば、セパレータによるMEAの挟持時/後やMEAの各層の接合時/後も電解質膜2がつぶれることがないため、短絡などを防止でき、好ましい。
Or as above-mentioned, the water vapor |
この際使用できる圧縮弾性率の高い材料としては、特に制限されず、水蒸気を透過せず、また、一般的なセパレータによる挟持や接合時/後にガスケット6a,6cにかかる反力に対して抵抗できるように、電解質膜2よりへたりにくい材料であれば特に制限されない。具体的には、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの硬質樹脂が挙げられる。この際、ガスケット6a,6cを構成する材料と同じ材料を使用することが好ましい。これは、多種類の材料を用意する必要がなく経済的に有利であるのに加えて、接着剤の選定が不要であるという利点がある。即ち、図1B〜1Gに示されるように、本発明のMEA1は、一の接着層(接着部)7a,7cを介してガスケット6a,6cと水蒸気シール部材3が形成されているが、ガスケット6と水蒸気シール部材3の材料が同じであれば、同じ接着剤で同等の接着力が発揮される。そのため、一の接着剤でMEAを構成する各層が密接に接着しあい、密着性の高いMEAが得られる。
The material having a high compressive elastic modulus that can be used at this time is not particularly limited, does not transmit water vapor, and can resist the reaction force applied to the
なお、水蒸気シール部材3がガスケット6a,6cを構成する材料と同じ材料で形成される場合には、図4に示されるように、水蒸気シール部材3と、前記ガスケット6とが、一体的に形成されていてもよい。別言すれば、アノード/カソード側いずれかのガスケット6aまたは6cと水蒸気シール部材3とを一体にしてもよい。図4では、図中の仮想線kで分けられている、アノード側のガスケット6aと水蒸気シール部材3とを一体的に形成した(一体にした)例を示している。図中、当該一体的に形成されたものを符号3/6aとして表記する。水蒸気シール部材3とガスケット6aが一体的に形成された(一体になっている)場合でも、電解質膜2の側面からの気体の漏洩(ガス漏れ)防止機能を発現することができるため、こうした一体的に形成された構成に関しても、本発明の技術範囲(権利範囲)に属するものとする。同様に、カソード側のガスケット6cと水蒸気シール部材3とが一体的に形成されたものについても、本発明の技術範囲(権利範囲)に属するものとする。なお、触媒層4a、4cの側面からの気体の漏洩(ガス漏れ)は、図4に示すように、接着層(接着部)7a、7cにより防止することができる。
When the water
また、水蒸気シール部材3とアノード/カソード側いずれかのガスケット6aまたは6cを一体的に形成することで、部品点数及び製造工数の削減が可能となる。即ち、少ない部品で簡易な構造のエッジシールを具備し、耐久性が向上したMEA1を提供することができる。詳しくは、水蒸気シール部材3とガスケット6aまたは6cを別々に設けるよりも少ない部品(例えば、水蒸気シール部材3や接着層(接着部)7a,7c等の部品点数や使用量の削減、高価な膜面積の低減)で安価で簡易な構造のエッジシール(ガス不透過)を具備したMEAを提供することができる。更に耐久性(触媒の腐食防止、電解質膜の分解抑制、更にはクリープ防止)に優れたMEAを提供することができるほか、水蒸気シール部材3とガスケット6aまたは6cの貼合せの際の位置合せが不要となるなど組立工程が容易となる。また、一体的に形成することにより図中の仮想線kの部分に接着部を持たないので機械強度の向上も図れる。
Further, by integrally forming the water
または、本発明による水蒸気シール部材(シールの一部である前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止できるよう配された部位)3は、電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止する機能に加え、補強機能を有するように電解質膜2よりも強度の高い補強部材(以下、単に「補強部材」と称する)であってもよい。この際、補強部材3は、電解質膜−電極接合体1の厚み方向に対して、アノード触媒層4aおよび/またはカソード触媒層4c上にさらに形成されたガス拡散層5a,5cとガスケット6a,6cとの接合面9a,9cを含むように、電解質膜2の側方外周部の少なくとも一部に配置されているのが望ましい。
Alternatively, the water
より好ましくは、前記補強部材3は、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4c双方の側のガス拡散層5a,5cとガスケット6a,6cとの接合面9a,9cを含むように、電解質膜2の側方外周部の少なくとも一部に配置されるものである。詳しくは、前記電解質膜−電極接合体1の厚さ方向に対して、前記アノード触媒層4a上にさらに形成された第一ガス拡散層5aと、前記カソード触媒層4c上にさらに形成された第二ガス拡散層5cと、をさらに備え、前記シールは、前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止し、前記電解質膜2よりも強度の高い前記補強部材(前記水蒸気シール部材の好適な1種である)3と、前記補強部材3若しくは前記電解質膜2と前記ガスケット6a、6cとを接着する接着層7a、7cと、からなり、前記補強部材3は、前記第一ガス拡散層5aと前記アノード側のガスケット6aとの接合面9a若しくは前記第二ガス拡散層5cと前記カソード側のガスケット6cとの接合面9cのいずれか一方よりも、前記電解質膜2の内側に形成されるものである。
More preferably, the reinforcing
図5A〜5Bは、水蒸気シール部材(シールの一部である前記電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止できるよう配された部位)として前記補強部材を用いた場合の代表的な実施形態例を表した本発明のMEAの断面概略図である。図中、補強部材3は、他の水蒸気シール部材と区別するために、他の水蒸気シール部材3の断面は、樹脂材料を表すハッチングで表記している(図1B〜図1G、図2A〜図2B、図4、図7Cの符号3のハッチング参照)のに対し、補強部材3の断面は、網掛けのハッチングで表記している(図5A〜図5D、図6A〜図6Bの符号3のハッチング参照)。
FIGS. 5A to 5B show typical embodiments in the case where the reinforcing member is used as a water vapor sealing member (portion arranged to prevent leakage of gas from the side surface of the electrolyte membrane which is a part of the seal). It is the cross-sectional schematic of MEA of this invention showing this. In order to distinguish the reinforcing
補強部材3の存在により、電解質膜2よりも圧縮弾性率の高い材料で説明したのと同様、セパレータによるMEAの挟持時/後やMEA各構成層のホットプレス時/後の膜のつぶれを抑制・防止して、短絡の発生を良好に抑制・防止できる。また、セパレータによるMEAの挟持やMEA各構成層のホットプレス時/後では、第一及び第二ガス拡散層5a,5cとガスケット6a,6cとの接合面9a,9cに特に応力が集中する。このため、図5Aに示されるように、補強部材3により構成される水蒸気シール部材3を、応力が集中する第一及び第二ガス拡散層5a、5cとガスケット6a、6cとの接合面9a、9cを含むように配置することによって、電解質膜2のつぶれを効果的に抑制・防止できる。なお、本発明では、図5Bに示されるように、カソード側での第二ガス拡散層5cとガスケット6cとの接合面9cとアノード側での第一ガス拡散層5aとガスケット6aとの接合面9aの位置は、異なることが好ましい。セパレータによるMEAの挟持やMEA各構成層のホットプレス時/後に、ガス拡散層5a、5cとガスケット6a、6cとの接合面9a、9cにかかる応力が分散して、電解質膜2の破断がより有効に抑制・防止できるからである。このような場合には、図5Bに示されるように、双方の接合面9a、9cを完全に含むように補強部材3により構成される水蒸気シール部材が配置されることが好ましい。
Due to the presence of the reinforcing
本発明において、補強部材3を構成する材料は特に制限されず、電解質膜2よりも強度の高い材料が適宜用いられうる。一例を挙げると、補強部材3は、高分子電解質膜2の構成材料とは異なる材料から構成されてもよく、かような材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、カプトンなどが挙げられる。なかでも、コストの観点からは、カプトンが好ましく用いられうる。なお、本願において「強度が高い」とは、圧縮強度や引張り強度などの機械的強度が高いことを意味する。または、補強部材3は、上記で詳述する電解質膜2と同様の高分子電解質を含むものであってもよい。例えば、補強部材3は、多孔質体に電解質を充填することによって製造されてもよい。この際使用できる多孔質体の形態は特に制限されず、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリサルフォンなどの従来公知の高分子材料から適宜選択されうる。なかでも、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素系高分子材料が好ましく用いられ、特に化学耐性と品質安定性という観点からは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる多孔質体がより好ましく用いられる。補強部材3を構成する多孔質体の空隙率は特に制限されず、製造の容易さや所望の強度などを考慮して適宜設定されうるが、20〜80%であることが好ましい。
In the present invention, the material constituting the reinforcing
図5Cは、シール(水蒸気シール部材3と接着層(接着部)7a,7cとが一体的に形成されたもの)として接着能を有する補強部材を用いた場合の代表的な実施形態例を表した本発明のMEAの断面概略図である。
FIG. 5C shows a typical embodiment when a reinforcing member having adhesive ability is used as the seal (the water
前記補強部材は、接着能、特に熱融着能を有する材料で形成されてもよい。このような材料で形成された補強部材を前記水蒸気シール部材3または前記シール全体(図5Cの符号3/7a/7c参照)として用いることによって、特に転写法によってMEA1を組み立てる場合には、ホットプレス時に補強部材が接着能を発揮するため、補強部材と、電解質膜2、触媒層4a,4c及びガスケット6a,6cとの接着性をより向上することができる。このような補強部材は、ホットプレス時に補強部材が接着能を発揮するものであることが好ましいが、例えば、100〜200℃で接着能を発揮するようなものであることが好ましい。このような補強部材としては、特に制限されないが、具体的には、オレフィン系樹脂等の低融点の樹脂による繊維を適宜組合わせて所望の形状、例えば、シート状に編んだものなどが使用できる。より具体的には、補強部材としては、ポリプロピレン(PP)繊維、ポリエチレン(PE)繊維、変性オレフィン系繊維等の低融点樹脂繊維を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)繊維、ガラス繊維(GF)等の他の繊維と組合わせてなるものが挙げられ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)繊維、ガラス繊維(GF)及びポリプロピレン(PP)繊維を適宜(例えば、PTFE:GF:PP=20:30:50(質量比))組合わせて編んだもの、ガラス繊維(GF)及びポリプロピレン(PP)繊維を適宜(例えば、GF:PP=50:50(質量比))組合わせて編んだものなどが特に好ましく使用できる。このような場合には、補強部材により構成されるシール(水蒸気シール部材3と接着層(接着部)7a,7cとが一体的に形成されたもの)は、図5Cに示されるように、直接ガスケット6a、6cと接合されてもよい。このような場合であっても、ホットプレスによって十分補強部材で構成されるシール(水蒸気シール部材3と接着層(接着部)7a,7cとが一体的に形成されたもの)とガスケット6a、6c、更には、電解質膜2、触媒層4a,4cとを接合することができる。図中の仮想線k1、k2で分けられている、水蒸気シール部材3と接着層(接着部)7a,7cとが一体的に形成されたシール(全体)を符号3/7a/7cとして表記する。
The reinforcing member may be formed of a material having adhesive ability, particularly heat fusion ability. When a reinforcing member formed of such a material is used as the water
本発明における、気体漏洩(ガス漏れないしガスリーク)防止機能層的な役割、特にアノード触媒層4aおよびカソード触媒層4cの側面、並びに前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止する機能は、シール及びガスケットの両構成部材の組み合わせによって有効に発現されるものである。したがって、(i)これらの構成部材同士は、各構成部材の一部乃至全部(全体)が一体的に形成された構造体(複合体)であってもよい。例えば、図4に示すようにシールの一部の水蒸気シール部材3とアノード側のガスケット6aとが一体的に形成された構造体(符号3/6a)が例示できるが、これらに何ら制限されるものではない。例えば、シールの一部のアノード側の接着層(接着部)7aとアノード側またはカソード側のガスケット6aまたは6cが一体的に形成された構造体、シールの全部(符号3/7a/7b;図5C参照)とアノード側またはカソード側のガスケット6aまたは6cが一体的に形成された構造体、シールの全部(符号3/7a/7b;図5C参照)とアノード側及びカソード側のガスケット全体(6a及び6c)とが一体的に形成された構造体が例示できる。(ii)あるいはこれらの個々の構成部材がそれぞれ複数の部材(パーツ)からなる構造体(集合体)であってもよい。例えば、シールでは、水蒸気シール部材3とアノード側の接着層(接着部)7aとカソード側の接着層(接着部)7cの3つの部材(パーツ)が気体の漏洩を防止できるように接合(接着ないし密着)されてなる構造体が例示できるが、これらに何ら制限されるものではない。例えば、水蒸気シール部材3として、物性の異なる複数の水蒸気シール部材を厚さ方向に積層して接着した積層体、あるいは水蒸気シール部材3として、物性の異なる複数の水蒸気シール部材を面方向に貼り合わせた連結体などが例示できる。ガスケットでは、アノード側のガスケット6aとカソード側のガスケット6cとの2つの部材(パーツ)を電解質膜2ないしシールの水蒸気シール部材3を介して気体漏洩が防止できるように配される構造体が例示できるが、これらに何ら制限されるものではない。例えば、アノード側またはカソード側のガスケット6aまたは6cを物性の異なる複数のガスケット部材を厚さ方向に積層して接着した積層体、あるいはアノード側またはカソード側のガスケット6aまたは6cを物性の異なる複数のガスケット部材を面方向に貼り合わせた連結体などが例示できる。(iii)あるいはこれらの個々の構成部材が一体になった構造体(複合体)であってもよい。例えば、シールでは、水蒸気シール部材3とアノード側の接着層7aとカソード側の接着層7cの3つの部材(パーツ)が気体漏洩が防止できるように一体的に形成された構造体(符号3/7a/7b;図5C参照)が例示できるが、これらに何ら制限されるものではない。例えば、水蒸気シール部材3とアノード側またはカソード側の接着層(接着部)7aまたは7cの2つの部材(パーツ)が気体漏洩が防止できるように一体的に形成された構造体などが例示できる。(iv)あるいは、気体漏洩(ガス漏れないしガスリーク)防止機能層的な役割、特にアノード触媒層およびカソード触媒層4a、4cの側面、並びに前記電解質膜2の側面からの気体の漏洩を防止する機能を発現し得るものであれば、上記(i)〜(iii)の各実施形態を適当に組み合わせたものであってもよい。
In the present invention, the role of the function of preventing gas leakage (gas leakage or gas leakage), in particular, the function of preventing gas leakage from the side surfaces of the
また、図5Dは、水蒸気シール部材としての補強部材3と、補強層とを有する場合の本発明のMEAの断面図である。
Moreover, FIG. 5D is sectional drawing of MEA of this invention in case it has the
本発明では、図5Dに示されるように、電解質膜2よりも強度の高い補強層3’が、電解質膜−電極接合体1の厚み方向に対して、アノード触媒層4aおよび/またはカソード触媒層4cの少なくとも一部と重なるように、前記電解質膜2の中間部に配置されることが好ましい。これにより、電解質膜2自体の強度も向上できる。
In the present invention, as shown in FIG. 5D, the reinforcing
この際使用できる補強層3’を構成する材料としては、プロトン伝導性を有しかつ電解質膜2の強度を向上できるものであれば特に制限されないが、多孔質体に電解質を充填することによって製造されるものなどが挙げられ、多孔質体及び電解質については上記補強部材で記載したのと同様のものが使用できる。補強層3’の厚みは、電解質膜2の厚みや種類、所望の強度などによって異なり特に制限されないが、電解質膜2の厚みの10〜50%程度であることが好ましい。また、補強層3’の位置は、特に制限されないが、電解質膜2の強度などを考慮すると、図5Dに示されるように、電解質膜2の厚み方向のほぼ中央部に位置することが好ましい。なお、図5Dでは、補強層3’は、水蒸気シール部材としての補強部材3と端部同士が接合した形態が示されているが、このような形態に限定されるものではない。例えば、水蒸気シール部材としての補強部材3の端部と補強層3’の端部との間に隙間があっても、あるいは補強層3’が電解質膜2の中央部に断続的に配置されても、あるいは電解質膜2の面方向において中心部にのみ配置されるなど、いずれの配置でもよい。電解質膜2の強度改善を考慮すると、補強層3’は、図5Dに示されるように、全電解質膜2の中央部に水蒸気シール部材としての補強部材3の端部と接合するように配置されることが特に好ましい。なお、上記説明は、補強層3’は、水蒸気シール部材としての補強部材3との組み合わせを用いて行なってきたが、本発明では、上記した他の水蒸気シール部3との組合わせについても同様にして適用できる。
The material constituting the reinforcing
図1〜4及び図5Aでは、アノード側のガスケット6aと第一ガス拡散層5aとの接合面9aと、カソード側のガスケット6cと第二ガス拡散層5cとの接合面9cは、MEA1の厚み方向に対して、同位置に配置されているが、これらの接合面9a,9cは、図5B〜5Dに示されるように、異なる位置に配置されてもよい。上記したように、接合面9a,9cがMEA1の厚み方向に対して異なる位置に配置されると、セパレータによるMEAの挟持時/後やMEA各構成層のホットプレス時/後に、ガス拡散層とガスケットとの接合面9a,9cにかかる圧縮応力を分散して、応力が集中するのを緩和できる。このため、電解質膜の応力による破断がより有効に抑制・防止でき、好ましい。接合面9a,9cがMEA1の厚み方向に対して異なる位置に配置される場合には、接合面9a,9cは、アノード触媒層4aの面積がカソード触媒層4cの面積よりも大きくなるように、配置されることが好ましい。これにより、アノード下流の空気存在部に対向するカソード触媒層4c領域の面積を低減できる、即ち、カソード電位と電解質電位との差が大きい部分を有意に低減できるため、カソード触媒層4cのカーボン(導電性担体)の腐食が効果的に防止/抑制できるからである。また、このような場合には、カソード触媒層4cのみが存在する周囲部がほとんどまたは全く存在せず、カソード触媒層4cの端部でのカソードからアノードへの酸素のクロスリークがほとんどまたは全く起こらない構造をとることができるため、従来重大な問題となっていた電解質膜2の劣化をも効果的に防止/抑制することができる。したがって、このような構造を有するMEAを用いた燃料電池は、起動停止/連続運転時及びOCV時の性能を長期間維持でき、燃費も向上できる。
1-4 and FIG. 5A, the joining
図6A〜図6Bは、接着層(接着部)がガスケットを超えて電解質膜の内側に形成される場合の代表的な実施形態例を表した本発明のMEAの断面概略図である。 6A to 6B are cross-sectional schematic views of the MEA of the present invention showing a typical embodiment in the case where the adhesive layer (adhesive portion) is formed inside the electrolyte membrane beyond the gasket.
また、図1〜4及び図5Aでは、アノード側の接着層(接着部)7a及びカソード側の接着層(接着部)7cは、それぞれ、ガスケット6a及びガスケット6cと、MEA1の厚み方向に対して、同位置で終了するよう配置されているが、図6A、6Bに示されるように、接着層(接着部)7a、7c及びガスケット6a、6cの終点は、異なる位置に配置されてもよい。このような場合においても、上記と同様、図6A、6Bに示されるように、アノード触媒層4aの面積がカソード触媒層4cの面積よりも大きくなるように、接着層(接着部)7a、7cが配置されることが好ましい。また、接着層(接着部)7a,7cの端部がガスケット6a、6cの端部1とMEAの厚み方向に対して異なる位置で終了する場合には、図6Aに示されるように、接着層(接着部)7a,7cが、それぞれ、ガス拡散層5a,5cとガスケット6a,6cとの接合面9a,9cを超えて、ガス拡散層5a,5c下にくるように、形成されることが好ましい。このような場合には、接着層(接着部)7cは、ガス拡散層5c、ガスケット6c、水蒸気シール部材3及び電解質膜2すべてと接し、また、接着層(接着部)7aは、ガス拡散層5a、ガスケット6a及び水蒸気シール部材3と接しているので、MEAの各構成部材がより高い接合性をもって一体化することが可能であるため、好ましい。なお、上記図6A、6Bの態様は、水蒸気シール部材としての補強部材3の例をとって説明(図示)したが、他の水蒸気シール部材3に対しても同様に適用できる。また、接着層(接着部)7a、7cが接合面9a,9cを超えてガス拡散層5a,5c下にまで形成される場合には、図6Bに示されるように、ガスケット6aとガス拡散層5aとの間におよび/またはガスケット6cとガス拡散層5cとの間に、隙間11があってもよい。このような場合であっても、ガスの透過・漏洩は、シール(水蒸気シール部材3及び接着層(接着部)7a,7c)並びにガスケット6a,6cによって十分抑制・防止できるからである。なお、上記説明は、カソード側についてのみ行なったが、アノード側のみあるいはカソード及びアノード側双方についても同様の適用がなされる。
1-4 and FIG. 5A, the anode-side adhesive layer (adhesive portion) 7a and the cathode-side adhesive layer (adhesive portion) 7c are respectively in the thickness direction of the
本発明の電解質膜−電極接合体1は、公知の方法と同様にしてあるいは適宜修飾した方法を使用することにより製造できる。具体的には、例えば、電解質膜2およびシールの一部である水蒸気シール部材3の両面上に、触媒層4a,4c、シールの残部である接着層(接着部)7a,7c、ガスケット6a,6c及びガス拡散層5a,5cを、適当な配列で順次形成する方法が使用できる。
The electrolyte membrane-
以下、本発明に係る電解質膜−電極接合体1を転写法により製造する好ましい方法について詳述する。すなわち、(i)アノード側及びカソード側について、それぞれ、転写用台紙上に触媒インクを塗布して、触媒層4a,4cを形成し、これらで、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、その後、転写用台紙を剥がすことにより、アノード触媒層4a−水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2−カソード触媒層4cの積層体を得、各触媒層4a,4c上にガス拡散層5a,5cを配置した後、水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2上の所定の位置に、接着層(接着部)7a,7c及びガスケット6a、6cをそれぞれ形成して、本発明のMEA1を得る方法;(ii)アノード側及びカソード側について、それぞれ、ガス拡散層5a,5c上に触媒インクを塗布して、触媒層4a,4cを形成し、これらで、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、ガス拡散層5a,5c、触媒層4a,4c及び水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2の積層体を得た後、水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2上の所定の位置に、接着層(接着部)7a,7c及びガスケット6a,6cをそれぞれ形成して、本発明のMEA1を得る方法;(iii)転写用台紙上にガス拡散層5a,5c及びガスケット6a,6cを形成した後、ガス拡散層5a,5c上に触媒インクを塗布して触媒層4a,4cを形成すると共に、ガスケット6a,6c上に接着層(接着部)7a,7cを形成して積層体を得、このようにして得られたアノード用積層体及びカソード用積層体2枚で、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、その後、転写用台紙を剥がして、本発明のMEA1を得る方法;(iv)転写用台紙上にガス拡散層5a,5cを形成した後、ガス拡散層5a,5c上に触媒インクを塗布して、触媒層4a,4cを形成した後、上記転写用台紙の残りの部位上にガスケット6a,6c及び接着層(接着部)7a,7cを順次形成して積層体を得、このようにして得られたアノード用積層体及びカソード用積層体2枚で、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、その後、転写用台紙を剥がして、本発明のMEA1を得る方法;(v)転写用台紙上にガスケット6a,6c及び接着層(接着部)7a,7cを順次形成した後、上記転写用台紙の残りの部位上にガス拡散層5a,5cを形成し、さらにこのガス拡散層5a,5c上に触媒インクを塗布して、触媒層4a,4cを形成して積層体を得、このようにして得られたアノード用積層体及びカソード用積層体2枚で、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、その後、転写用台紙を剥がして、本発明のMEA1を得る方法などが使用できる。
Hereinafter, a preferred method for producing the electrolyte membrane-
以下、上記(i)の方法について詳述する。すなわち、上記(i)の方法では、(ア)アノード側及びカソード側について、それぞれ、転写用台紙上に触媒インクを塗布して、触媒層4a,4cを形成して、アノード用及びカソード用転写シートを得、(イ)(ア)で形成されたアノード用及びカソード用転写シートで、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、その後、転写用台紙を剥がすことにより、アノード触媒層4a−水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2−カソード触媒層4cの積層体を得、(ウ)各触媒層4a,4c上にガス拡散層(GDL)5a,5cを配置して、ガス拡散層5a,5c、触媒層4a,4c及び水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2の積層体を得た後、(エ)水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2上の所定の位置に、接着層(接着部)7a,7c及びガスケット6a,6cをそれぞれ形成して、本発明のMEA1を得る。
Hereinafter, the method (i) will be described in detail. That is, in the above method (i), (a) for the anode side and the cathode side, the catalyst ink is applied on the transfer mount to form the catalyst layers 4a and 4c, respectively. A sheet was obtained, and after sandwiching the
まず、工程(ア)において、触媒インクを調製し、この触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、転写用台紙上に触媒層4a,4cを形成した転写シートを得る。この際、転写用台紙としては、特に制限されず、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。 First, in step (A), a catalyst ink is prepared, and this catalyst ink is applied and dried on a transfer mount to obtain a transfer sheet on which the catalyst layers 4a and 4c are formed on the transfer mount. In this case, the transfer mount is not particularly limited, and a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink).
上記方法で使用される触媒インクは、溶媒、電解質、及び触媒成分を含む。カソード触媒層4cに用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層4aに用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒として合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本発明ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層4aに用いられる触媒成分及びカソード触媒層4cに用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4c用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4c用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。
The catalyst ink used in the above method includes a solvent, an electrolyte, and a catalyst component. The catalyst component used for the
触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。 The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.
本発明において、上述した触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。 In the present invention, the catalyst particles described above are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gである。前記比表面積が20m2/g以上の方が前記導電性担体における触媒成分および後述する電解質成分の分散性が低下せず充分な発電性能が得られ、1600m2/g以下であると触媒成分および電解質成分の有効利用率が却って低下することが避けられる。
Although the BET specific surface area of the said electroconductive support | carrier should just be a specific surface area sufficient to carry | support a catalyst component highly dispersed, Preferably it is 20-1600m < 2 > / g, More preferably, it is 80-1200m < 2 > / g. The specific surface area of 20
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.
前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が80質量%以下であると、導電性担体上での触媒成分の分散度が低下せず、担持量が増加すると発電性能の向上も大きく経済上での利点が低下することはない。また、前記担持量が10質量%以上であると、単位質量あたりの触媒活性が低下することなく所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となることはない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって測定可能である。 In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. When the loading amount is 80% by mass or less, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive carrier does not decrease, and when the loading amount increases, the power generation performance is greatly improved and the economic advantage does not decrease. . Further, when the supported amount is 10% by mass or more, a large amount of electrode catalyst is not required to obtain a desired power generation performance without lowering the catalytic activity per unit mass. The supported amount of the catalyst component can be measured by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
本発明のアノード触媒層4a/カソード触媒層4c(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず、上記電解質膜2に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記電解質膜2に用いられる高分子電解質と、各触媒層4a,4cに用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各触媒層4a,4cと電解質膜2との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。すなわち、前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。
The
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.
高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.
本発明の方法では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、ガス拡散層5a,5cに塗布することによって、触媒層4a,4cが形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層4a,4cを形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。 In the method of the present invention, the catalyst layers 4a and 4c are formed by applying the catalyst ink comprising the electrode catalyst, the polymer electrolyte and the solvent as described above to the gas diffusion layers 5a and 5c. In this case, the solvent is not particularly limited, and ordinary solvents used for forming the catalyst layers 4a and 4c can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.
本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクがガス拡散層上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜20質量%である。 The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto the gas diffusion layer. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 20 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass.
本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン社製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。 The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, a Nafion solution manufactured by DuPont: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) is prepared as it is. You may use for the said method.
上記したような触媒インクを、転写用台紙上に塗布して、各触媒層4a,4cが形成される。この際、転写用台紙上へのアノード触媒層4a/カソード触媒層4cの形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを転写用台紙上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層4a,4cの厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。
The catalyst ink as described above is applied onto the transfer mount to form the catalyst layers 4a and 4c. At this time, the formation conditions of the
次に、工程(イ)では、上記(ア)で形成されたアノード用及びカソード用転写シートで、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2を挟持した後、ホットプレスを行ない、その後、転写用台紙を剥がすことにより、アノード触媒層4a−水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2−カソード触媒層4cの積層体を得る。この際、ホットプレス条件は、触媒層4a,4c、水蒸気シール部材3及び電解質膜2が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極(触媒層4a,4c)面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜2(更に図1E〜図1F,図5A〜図5等のような実施形態によっては、水蒸気シール部材3の一部を含む)と触媒層4a,4cとの接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、転写用台紙を剥がすことにより、触媒層4a,4c及び水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2の積層体を得ることができる。
Next, in step (a), the anode and cathode transfer sheet formed in (a) above is used to sandwich the
さらに、工程(ウ)において、アノード触媒層4a及びカソード触媒層4c上にそれぞれガス拡散層(GDL)5c,5aを配置して、ガス拡散層5c,5a、触媒層4c,4a及び水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2の積層体を得る。具体的には、(イ)の積層体をさらにガス拡散層5c,5aで挟持し、必要であればこれをホットプレスにより挟持・接合する。この際、ガス拡散層5c,5aとしては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、機械的強度やガスや水の透過性を考慮すると、好ましくは30〜500μmであり、より好ましくは50〜300μmである。
Further, in step (c), gas diffusion layers (GDL) 5c and 5a are disposed on the
前記ガス拡散層5c,5aは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layers 5c and 5a preferably contain a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層5c,5aは、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。 In order to further improve water repellency, the gas diffusion layers 5c and 5a may have a carbon particle layer made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the substrate.
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層4a,4cとの接触性も向上させることが可能となる。
The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to also improve the contact property with
前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。 Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。 In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.
前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層5c,5aの撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layers 5c and 5a.
ガス拡散層5c,5aに撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層5c,5aに用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。 When the gas diffusion layers 5c and 5a contain a water repellent, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for gas diffusion layers 5c and 5a in the dispersion liquid of a water repellent, the method of heat-drying in oven etc. is mentioned.
ガス拡散層5c,5aにおいて転写用台紙上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを転写用台紙上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層5c,5a上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。
In the case of forming a carbon particle layer on the transfer mount in the gas diffusion layers 5c and 5a, carbon particles, a water repellent, etc. are used as alcohol solvents such as water, perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol and ethanol. A slurry is prepared by dispersing in a solvent such as the above, and the slurry is applied on a transfer mount and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, which is converted into the
続いて、工程(エ)において、水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2の所定の位置に、接着層(接着部)7a,7c及びガスケット6a,6cをそれぞれ形成する。
Subsequently, in step (d), adhesive layers (adhesive portions) 7a and 7c and
この際、接着層(接着部)7a,7cに使用できる材料は、水蒸気シール部材3(更に、図1B〜D、図1F〜図1G、図2A〜図2B、図6A〜図6Bのような実施形態によっては、電解質膜2の一部を含む)と、ガスケット6a,6c(同様に上記のような実施形態によっては、ガス拡散層5c,5aの一部を含む)とを密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。なお、水蒸気シール部材3が接着剤で形成される場合、水蒸気シール部材3及び接着層(接着部)7a,7cに使用される接着剤は、同一であってもあるいは異なるものであってもよい。
At this time, the material that can be used for the adhesive layers (adhesive portions) 7a, 7c is the water vapor seal member 3 (as shown in FIGS. 1B to 1D, 1F to 1G, 2A to 2B, and 6A to 6B). In some embodiments, a part of the
図7A〜Cは、本発明のMEAを作製する方法の一工程を説明する図である。なお、図7Aでは、アノード側の構成はカソード側の構成と対をなす(対象形である)ため図示せず省略する(詳しくは図1B参照のこと。)。後述する図7B及び7Cにおいても同様とする。 7A to 7C are diagrams for explaining one step of the method for producing the MEA of the present invention. In FIG. 7A, the configuration on the anode side is paired with the configuration on the cathode side (the target shape) and is not shown (see FIG. 1B for details). The same applies to FIGS. 7B and 7C described later.
水蒸気シール部材3及び接着層(接着部)7a,7cに使用される接着剤が同一である場合には、図7Aに示されるように、上記工程(ウ)では水蒸気シール部材3を持たない電解質膜2を使用して、本工程(エ)で、図7Bに示すように電解質膜2の所定の部位に水蒸気シール部材3を形成する工程及び接着層(接着部)7c(7a;図示せず)を形成する工程を行なってもよい。接着層(接着部)7a,7cの厚みは、図1B〜図1Gに示すように触媒層4a,4cと同じ厚さ(=前記アノード触媒層4a及びカソード触媒層4bの面方向における外周部分;別言すれば、触媒層4a,4cと同一面)に配されていればよいが、触媒層4a,4cよりも厚くてもいいので、本発明で規定するように、前記アノード触媒層4a及びカソード触媒層4bの少なくとも面方向における外周部分に、別言すれば触媒層4a,4cと少なくとも同一面に触媒層側面からの気体の漏洩を防止できるよう配されているものであれば特に制限されない。さらに、水蒸気シール部材3(実施形態によっては、電解質膜2の一部を含む)と、ガスケット6a,6c(同様に、実施形態によっては、ガス拡散層5c,5aの一部を含む)との十分な接着が達成できる厚みであるのが望ましく、5〜30μm、より好ましくは10〜25μmの厚みであることが好ましい。
When the adhesive used for the water
その後、図7Cに示すように、接着層(接着部)7c(7a;図示せず)の上に、ガスケット6c(6a;図示せず)が、ガス拡散層5c(5a;図示せず)の端部と接するように(場合によっては、図6A〜図6Bに示すように間隙11をあけて)形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 7C, a
この際、ガスケット6a、6cは、気体、特に酸素ガス、水素ガス及び水蒸気に対して不透過である材料から構成される。この際使用できるガス不透過材料は、膜にした際に酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。具体的には、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などが挙げられる。また、ガスケットの形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、シールの接着層(接着部)7a,7c上に、上記したようなガス不透過材料を所定の厚みになるように塗布し、これを25〜150℃で、10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、ガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜をシールの接着層(接着部)7a,7c上に貼り合わせたものを水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2上に配置してもよい。この際、ガスケット6a、6cの厚みは、十分なガスシール性を発揮できるものであれば特に制限されない。しかしながら、例えば、高分子電解質型燃料電池では、上述したように、ガスケット6a、6c上にはシール用の凸部8a,8cが形成され、さらにセパレータで挟持され、この際、シール用の凸部8a,8cには圧縮応力がかかる。ここで、セパレータで狭持する前のガスケット6a,6cの高さをガス拡散層5a,5cの高さより低く設定することにより、セパレータとガス拡散層5a,5cとの密着性が向上し、燃料流路及び酸化剤流路が確実に形成でき、かつガス拡散層5a,5cとセパレータの導電性も確保できる。このため、ガスケット6a,6cは、ガス拡散層5a,5cの高さより低くなるように形成されることが好ましい。このため、ガスケット6a,6cの厚みは、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜40μmである。
At this time, the
なお、上記では、転写法により、電解質膜にアノード/カソード触媒層を形成する方法について述べてきたが、本発明のMEA1は、電解質膜2へ直接触媒インクを印刷する直接塗布法などの他の方法によって製造されてもよい。すなわち、本発明では、側方外周部が水蒸気シール部材3でシールされた電解質膜2の所定の位置上に、触媒層4a,4c及びガス拡散層5a,5c、ならびにシールの接着層(接着部)7a,7c及びガスケット6a,6cをそれぞれのアノード及びカソードの面について形成すればよく、各工程の詳細については、上記と同様の方法が適用できるため、ここでは説明を省略する。
In the above description, the method for forming the anode / cathode catalyst layer on the electrolyte membrane by the transfer method has been described. However, the
本発明の電解質膜−電極接合体は、上述した通り、水蒸気透過による電解質膜の乾燥を抑制・防止し、ガス拡散層とガスケットとの接合面での圧縮応力による膜の破断が有効に抑制・防止することが可能である。したがって、かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、製造工程が容易であり、耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。 As described above, the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention suppresses / prevents drying of the electrolyte membrane due to water vapor permeation, and effectively suppresses membrane breakage due to compressive stress at the bonding surface between the gas diffusion layer and the gasket. It is possible to prevent. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that has a simple manufacturing process and excellent durability.
前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池に代表される酸型電解質の燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。 The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example, but in addition to this, a representative example is an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Examples thereof include an acid electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.
前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。 The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.
前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。 The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.
また、各触媒層4a,4cに供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット6a,6c上の触媒層4a,4cが形成されていない部位(例えば、隙間10、11等)にさらにガスシール部(図示せず)が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。
Further, in order to prevent the gas supplied to the catalyst layers 4a and 4c from leaking to the outside, the portions where the catalyst layers 4a and 4c are not formed on the
さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、耐久性に優れかつ燃費効率のよい燃料電池に適用できる。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can be applied to a fuel cell having excellent durability and good fuel efficiency.
1…電解質膜−電極接合体(MEA)、
2…電解質膜、
3…水蒸気シール部材(または水蒸気シール部材としての補強部材)、
3’…補強層、
3/6a 水蒸気シール部材とアノード側のガスケットとが一体的に形成されたもの、
3/7a/7c シール(水蒸気シール部材と接着層とが一体的に形成された補強部材)、
4a…アノード触媒層、
4c…カソード触媒層、
5a…アノード側の第一ガス拡散層、
5c…カソード側の第二ガス拡散層、
6a…アノード側のガスケット、
6c…カソード側のガスケット、
7a…アノード側の接着部または接着層、
7c…カソード側の接着部または接着層、
8a…アノード側のシール用の凸部(リップ)、
8c…カソード側のシール用の凸部(リップ)、
9a…アノード側の接合面、
9c…カソード側の接合面、
10、11…間隙。
1 ... electrolyte membrane-electrode assembly (MEA),
2 ... electrolyte membrane,
3 ... water vapor seal member (or a reinforcing member as a water vapor seal member),
3 '... reinforcement layer,
3 / 6a in which a water vapor seal member and an anode side gasket are integrally formed,
3 / 7a / 7c seal (reinforcing member in which a water vapor seal member and an adhesive layer are integrally formed),
4a ... anode catalyst layer,
4c ... cathode catalyst layer,
5a ... first gas diffusion layer on the anode side,
5c ... the second gas diffusion layer on the cathode side,
6a ... Anode side gasket,
6c ... gasket on the cathode side,
7a ... Adhesive part or adhesive layer on the anode side,
7c ... Adhesive part or adhesive layer on the cathode side,
8a: A convex portion (lip) for sealing on the anode side,
8c: convex part (lip) for sealing on the cathode side,
9a ... anode side joining surface,
9c ... cathode side joint surface,
10, 11 ... Gap.
Claims (12)
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、
前記アノード触媒層およびカソード触媒層の側面、並びに前記電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止するシールと、
前記シールの両面に設けられるガスケットと、を備え、
前記シールの一部は、前記電解質膜と前記ガスケットとを接着する接着部を形成し、前記接着部は、前記アノード触媒層及びカソード触媒層の面方向における外周部分に、前記アノード触媒層の側面及びカソード触媒層の側面からのガス漏れを防止できるように配置される、電解質膜−電極接合体。 An electrolyte membrane;
An anode catalyst layer provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer provided on the other surface of the electrolyte membrane;
Seals for preventing gas leakage from the side surfaces of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, and the side surfaces of the electrolyte membrane;
A gasket provided on both sides of the seal,
A part of the seal forms an adhesion part for adhering the electrolyte membrane and the gasket, and the adhesion part is formed on a side surface of the anode catalyst layer on an outer peripheral part in a surface direction of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. And an electrolyte membrane-electrode assembly disposed so as to prevent gas leakage from the side surface of the cathode catalyst layer.
前記水蒸気シール部材は、前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向において、前記ガスケットに対し反力がかかる部位に相当する位置に配置される、請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。 The seal comprises a water vapor seal member that prevents gas leakage from the side surface of the electrolyte membrane, and an adhesive layer that adheres the water vapor seal member or the electrolyte membrane and the gasket,
3. The electrolyte membrane-electrode joint according to claim 1, wherein the water vapor seal member is disposed at a position corresponding to a portion where a reaction force is applied to the gasket in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. body.
前記補強部材は、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、前記アノード触媒層および/または前記カソード触媒層上にさらに形成されたガス拡散層とガスケットとの接合面を含むように、電解質膜の側方外周部の少なくとも一部に配置される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。 The portion arranged to prevent leakage of gas from the side surface of the electrolyte membrane that is a part of the seal is a reinforcing member having higher strength than the electrolyte membrane,
The reinforcing member includes an electrolyte so as to include a bonding surface between a gas diffusion layer and a gasket further formed on the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, which is disposed on at least a part of a lateral outer peripheral portion of the membrane.
前記シールは、前記電解質膜の側面からの気体の漏洩を防止し、前記電解質膜よりも強度の高い補強部材と、前記補強部材若しくは前記電解質膜と前記ガスケットとを接着する接着層と、からなり、
前記補強部材は、前記第一ガス拡散層と前記ガスケットとの接合面若しくは前記第二ガス拡散層と前記ガスケットとの接合面のいずれか一方よりも、前記電解質膜の内側に形成される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。 A first gas diffusion layer further formed on the anode catalyst layer and a second gas diffusion layer further formed on the cathode catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. In addition,
The seal includes a reinforcing member that prevents leakage of gas from the side surface of the electrolyte membrane and has a higher strength than the electrolyte membrane, and an adhesive layer that bonds the reinforcing member or the electrolyte membrane to the gasket. ,
The reinforcing member is formed on the inner side of the electrolyte membrane than any one of a joint surface between the first gas diffusion layer and the gasket or a joint surface between the second gas diffusion layer and the gasket. Item 9. The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of Items 1 to 8.
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