JP2014192016A - Membrane electrode assembly, fuel cell employing the same, and manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents
Membrane electrode assembly, fuel cell employing the same, and manufacturing method of membrane electrode assembly Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014192016A JP2014192016A JP2013067022A JP2013067022A JP2014192016A JP 2014192016 A JP2014192016 A JP 2014192016A JP 2013067022 A JP2013067022 A JP 2013067022A JP 2013067022 A JP2013067022 A JP 2013067022A JP 2014192016 A JP2014192016 A JP 2014192016A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst layer
- electrode assembly
- membrane electrode
- catalyst
- membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 166
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 46
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 235000019592 roughness Nutrition 0.000 abstract description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 144
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 42
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- -1 glycol ethers Chemical class 0.000 description 5
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 4
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 3
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000544 Gore-Tex Polymers 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000978 Pb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004820 Pressure-sensitive adhesive Substances 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N ethylene glycol Natural products OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007603 infrared drying Methods 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- SYJRVVFAAIUVDH-UHFFFAOYSA-N ipa isopropanol Chemical compound CC(C)O.CC(C)O SYJRVVFAAIUVDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007601 warm air drying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】耐久性に優れ、かつ平坦で扱いやすい膜電極接合体を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜10の両面に燃料極の触媒層6と空気極の触媒層7とを対向して配置し、それぞれの触媒層6,7の周囲にガスケット部材8,9を配置した膜電極接合体1であって、触媒層6,7は表面粗さが異なる二領域61,71,62,72に分けられ、その二領域61,71,62,72は、中央部を占める第一の触媒層61,71と、その第一の触媒層61,71の周囲を所定の幅Wで縁取るように取り囲む第二の触媒層62,72とから構成され、その第二の触媒層62,72の幅Wは、0.1mm〜1mmである。また、第一の触媒層61,71の表面粗さSRaは、0.01um〜0.80umであり、第二の触媒層62,72の表面粗さSRaは、第一の触媒層62の表面粗さSRaよりも大きい。
【選択図】図2Disclosed is a membrane electrode assembly which is excellent in durability, flat and easy to handle.
SOLUTION: A fuel electrode catalyst layer 6 and an air electrode catalyst layer 7 are arranged opposite to each other on a polymer electrolyte membrane 10, and gasket members 8 and 9 are arranged around the catalyst layers 6 and 7, respectively. In the membrane electrode assembly 1, the catalyst layers 6 and 7 are divided into two regions 61, 71, 62, and 72 having different surface roughnesses, and the two regions 61, 71, 62, and 72 occupy the central portion. The first catalyst layers 61 and 71 and the second catalyst layers 62 and 72 surrounding the first catalyst layers 61 and 71 so as to border the periphery of the first catalyst layers 61 and 71 with a predetermined width W. The width W of the layers 62 and 72 is 0.1 mm to 1 mm. The surface roughness SRa of the first catalyst layers 61 and 71 is 0.01 μm to 0.80 μm, and the surface roughness SRa of the second catalyst layers 62 and 72 is the surface of the first catalyst layer 62. It is larger than the roughness SRa.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、高分子形燃料電池の膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly of a polymer fuel cell and a fuel cell using the same.
近年、環境問題やエネルギー問題の一対策として、燃料電池(以下、燃料電池セルともいう)が注目されている。燃料電池とは、水素やメタンなどの還元性ガスを、酸素や空気等の酸化性ガスにより酸化する反応において、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気を得るものである。この燃料電池は、燃料となりうる物質が豊富に存在することや、発電による排出物が水のみであることから、クリーンなエネルギー源とされる。 In recent years, a fuel cell (hereinafter also referred to as a fuel cell) has attracted attention as a countermeasure for environmental problems and energy problems. A fuel cell is one that obtains electricity by converting chemical energy associated therewith into electric energy in a reaction of oxidizing a reducing gas such as hydrogen or methane with an oxidizing gas such as oxygen or air. This fuel cell is considered to be a clean energy source because there are abundant substances that can be used as fuel and because the power generation is only water.
また、燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。このように分類されたなかで、高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell;PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての利用が期待されている。 Fuel cells are classified into alkaline, phosphoric acid, polymer, molten carbonate, solid oxide, etc., depending on the type of electrolyte. Among these classifications, polymer fuel cells (PEFC) have low temperature operation, high power density, and can be reduced in size and weight. It is expected to be used as an on-vehicle power source.
高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の一方の面に設けられた燃料極(アノード触媒層)と、他方の面に設けられた空気極(カソード触媒層)とを備えている。膜電極接合体は、これらアノード触媒層と、カソード触媒層とが、対向するように配置された構造を有する。この高分子形燃料電池が発電する時、一方の燃料極側には水素を含む燃料ガスが供給され、他方の空気極側には酸素を含む酸化剤ガスが供給される。供給された燃料ガスは、アノード触媒層において、プロトン(proton;陽子)および電子になる。なお、プロトンとは、化学の領域において、水素イオン(H+)、すなわち、イオン化した水素を意味する。このプロトンはアノード触媒層内の高分子電解質および高分子電解質膜を通り、カソード触媒層側へ移動する。また、電子は、外部回路を通り、上述したプロトンと同様に、カソード触媒層へ移動する。カソード触媒層において、プロトン、電子および外部から供給される酸化剤ガスが反応し、水が生成される。以上のように、高分子形燃料電池は、その燃料極および空気極において、それぞれ連続的に化学反応が生じるため、電荷の継続的発生が可能となり電池として機能する。 The polymer fuel cell includes a fuel electrode (anode catalyst layer) provided on one surface of a polymer electrolyte membrane and an air electrode (cathode catalyst layer) provided on the other surface. The membrane electrode assembly has a structure in which the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are arranged so as to face each other. When this polymer fuel cell generates electric power, a fuel gas containing hydrogen is supplied to one fuel electrode side, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the other air electrode side. The supplied fuel gas becomes protons and electrons in the anode catalyst layer. The proton means a hydrogen ion (H + ), that is, ionized hydrogen in the chemical domain. The protons move to the cathode catalyst layer side through the polymer electrolyte and the polymer electrolyte membrane in the anode catalyst layer. Further, the electrons move through the external circuit to the cathode catalyst layer in the same manner as the proton described above. In the cathode catalyst layer, protons, electrons, and an oxidant gas supplied from the outside react to generate water. As described above, the polymer fuel cell continuously generates a charge at the fuel electrode and the air electrode, and thus can continuously generate electric charge and functions as a battery.
膜電極接合体の製造には、一般に、湿式または乾式塗工や転写法が用いられる。なかでも、触媒層の密着性に優れ、発電性能および耐久性に有利な膜電極接合体を、複雑な装置を必要とせずに得られる優れた製造方法が知られている。その膜電極接合体の製造方法は、触媒層を構成する材料と、適当な溶媒または分散媒から成るスラリーとを、電解質膜に直接塗布する湿式塗工による方法である。 Generally, wet or dry coating or a transfer method is used for the production of a membrane electrode assembly. Among them, an excellent production method is known that can obtain a membrane electrode assembly excellent in adhesion of a catalyst layer and advantageous in power generation performance and durability without requiring a complicated apparatus. The manufacturing method of the membrane electrode assembly is a method by wet coating in which the material constituting the catalyst layer and the slurry made of an appropriate solvent or dispersion medium are directly applied to the electrolyte membrane.
しかし、この湿式塗工による方法では、電解質膜のスラリー溶媒による膨潤、および、その後の乾燥による収縮が避けられない。したがって、触媒層を所望の形状につくることが非常に難しい。
また、膜電極接合体では、電解質膜において触媒層が形成された領域と、触媒層が形成されない領域の厚みの差によるガスの漏洩、および電解質における触媒層が形成されない領域の集中的な劣化を防ぐため、少なくとも電解質膜上、または触媒層の外側に、ガスケット部材(以下、単にガスケットともいう)を設けた構成がよく見られる。
However, this wet coating method inevitably causes swelling of the electrolyte membrane due to the slurry solvent and subsequent shrinkage due to drying. Therefore, it is very difficult to form the catalyst layer in a desired shape.
Further, in the membrane electrode assembly, gas leakage due to the difference in thickness between the region where the catalyst layer is formed in the electrolyte membrane and the region where the catalyst layer is not formed, and intensive deterioration of the region where the catalyst layer is not formed in the electrolyte. In order to prevent this, a configuration in which a gasket member (hereinafter also simply referred to as a gasket) is provided at least on the electrolyte membrane or outside the catalyst layer is often seen.
また、触媒層を概ね設計どおりの形に形成し、かつ簡便にガスケット部材付き膜電極接合体の製造方法が知られている。例えば、特許文献1に記載の電解質とマスキング部材とからなる電解質膜複合体の製造方法が知られている。この特許文献1には、開口部を有するマスキング部材を電解質膜上に配置して、触媒層用スラリーを電解質膜に直接塗布する方法が開示されている。すなわち、マスキング部材とガスケット部材とを積層することにより、ガスケット部材付き膜電極接合体を簡易的に得ることができるという方法である。
In addition, a method for producing a membrane electrode assembly with a gasket member, in which a catalyst layer is formed in a shape almost as designed, is also known. For example, the manufacturing method of the electrolyte membrane composite which consists of the electrolyte and masking member of
しかしながら、文献1に記載の方法では、ガスケット部材と触媒層との間の隙間を完全になくすことができなかった。このように電解質膜が露出した領域があると、その電解質膜の露出した領域は、発電に伴う劣化が加速され、耐久性が低下するという問題があった。本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電解質膜の露出がなく、耐久性に優れ、かつ平坦で扱いやすい膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池を提供することにある。
However, according to the method described in
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、高分子電解質膜(10)の両面に触媒層(6,7)を対向して配置し、それぞれの触媒層(6,7)の周囲にガスケット部材(8,9)を配置した膜電極接合体(1)であって、前記触媒層(6,7)は表面粗さが異なる二領域(61,71)(62,72)に分けられ、
該二領域(61,71)(62,72)は、中央部を占める第一の触媒層(61,71)と、該第一の触媒層(61,71)の周囲を所定の幅(W)で縁取るように取り囲む第二の触媒層(62,72)とから構成され、該第二の触媒層(62,72)の前記幅(W)は、0.1mm〜1mmであることを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
The two regions (61, 71) (62, 72) have a first catalyst layer (61, 71) occupying a central portion and a predetermined width (W) around the first catalyst layer (61, 71). ), And the width (W) of the second catalyst layer (62, 72) is 0.1 mm to 1 mm. Features.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第一の触媒層(61,71)の表面粗さ(SRa)は、0.01um〜0.80umであり、前記第二の触媒層(62,72)の表面粗さ(SRa)は、前記第一の触媒層(62)の表面粗さ(SRa)よりも大きいことを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記第二の触媒層(62,72)の表面粗さ(SRa)は、1.0um以下であることを特徴とする。
The invention according to
The invention according to claim 3 is the invention according to
また、請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載の発明において、前記ガスケット部材(8,9)は、フイルム状の材料により構成されることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載の発明において、前記第一の触媒層(61)の厚さは、前記燃料極と前記空気極とで異なり、前記第二の触媒層(62)の前記幅(W)は、前記燃料極において0.1mm〜0.7mm、前記空気極において0.3mm〜1mmであることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of
また、請求項6に記載の発明は、請求項1〜5の何れか1項に記載の膜電極接合体(1)を用いた燃料電池。
また、請求項7に記載の発明は、高分子電解質膜(10)の両面に触媒層(6,7)を対向して配置し、それぞれの触媒層の周囲(6,7)にガスケット部材(8,9)を配置した膜電極接合体(1)を製造する方法であって、前記触媒層(6,7)は表面粗さが異なる二領域(61,71)(62,72)に分けられ、該二領域(61,71)(62,72)は、中央部を占める第一の触媒層(61,71)を形成した後に、該第一の触媒層(61,71)の周囲を0.1mm〜1mmの幅で縁取るように取り囲む第二の触媒層(62,72)を形成することを特徴とする。
The invention according to
In the invention according to
本発明によれば、電解質膜の露出がなく、耐久性に優れ、かつ平坦で扱いやすい膜電極接合体およびそれを用いた燃料電池を提供できる。より詳細には、下記1)〜3)の効果が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an electrolyte membrane is not exposed, it is excellent in durability, and it can provide a flat and easy-to-handle membrane electrode assembly and a fuel cell using the same. More specifically, the following effects 1) to 3) are obtained.
1)第二の触媒層形成により、電解質膜の露出に起因する耐久性低下を抑止する。
2)第二の触媒層は、第一の触媒層の周囲である縁部を所定の幅で縁取るものであり、その縁部における触媒層表面の粗さが異なる構成とすることにより、長時間または繰り返し運転を行った際の縁部の局所的な劣化を妨げることが可能である。
3)第一の触媒層の縁部を縁取る第二の触媒層の幅を、四辺全てにわたって0.1mm〜1mmとすることにより、その第二の触媒層形成に伴う電解質膜の膨潤や収縮に起因する膜電極接合体の歪みを回避できる。
1) By forming the second catalyst layer, a decrease in durability due to the exposure of the electrolyte membrane is suppressed.
2) The second catalyst layer borders the edge around the first catalyst layer with a predetermined width, and has a structure in which the roughness of the catalyst layer surface at the edge is different. It is possible to prevent local degradation of the edge during time or repeated operation.
3) By setting the width of the second catalyst layer bordering the edge of the first catalyst layer to 0.1 mm to 1 mm over all four sides, the electrolyte membrane swells and contracts with the formation of the second catalyst layer The distortion of the membrane electrode assembly due to the above can be avoided.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池(セル)を説明するための分解斜視図である。図1に例示するように、高分子形燃料電池(以下、単に燃料電池ともいう)は、膜電極接合体1と、拡散層2,3と、セパレータ4,5とを有して構成されている。膜電極接合体1は、拡散層2,3に挟持されている。さらに拡散層2,3は、それらの外面をセパレータ4,5で挟持されている。このセパレータ4,5の表面は、空気極および燃料極の拡散層2,3にそれぞれ沿うように対面して、それぞれの反応ガス(以下、原料ガスともいう)が流通するためのガス流路41,51となる櫛型構造を有している。この櫛型構造とは、拡散層2,3にそれぞれ沿って対向する面に、凸条が等間隔に設けられて複数の平行な溝が形成されている構造である。このような溝によって冷却水流路を構成することも多い。セパレータ4,5は、導電性を有し、かつガスを透過しない材料より成る。そのセパレータ4,5の材料として、例えば、耐食処理が施された金属板または焼成カーボン等のカーボン系材料等が用いられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining a fuel cell (cell) according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 1, a polymer fuel cell (hereinafter also simply referred to as a fuel cell) includes a
燃料電池の、すなわち、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、まず、セパレータ4,5のガス流路41,51を通る。反応ガスは、これらの流路41,51を通るうちに、拡散層2,3を介して、膜電極接合体1へ供給される。拡散層2,3は、導電性が高く、原料ガスの拡散性が高い材料から成る。例えば、金属フイルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられる。これらの材料のなかでも、カーボンペーパ等の多孔質導電体材料が好ましい。また、拡散層2,3の厚みは、50um〜1000um程度が好ましい。
First, the oxidant gas and the fuel gas of the fuel cell pass through the
図2は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の上面、側面および下面である。図2に示されるように、電解質膜10の上面に燃料極の触媒層6が形成され、電解質膜10の下面に空気極の触媒層7が形成されている。すなわち、電解質膜10の両面を、触媒層6,7で挟持されている。これら各触媒層6,7の外縁と隙間を空けずに、各触媒層6,7の外縁を縁取るように、ガスケット部材8,9が配設されている。このような、第二の触媒層62,72を形成することに、電解質膜10の露出に起因する耐久性低下を抑止することが可能である。
FIG. 2 shows an upper surface, a side surface, and a lower surface of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the fuel
電解質膜10の材料は、イオン伝導性の高い材用であれば、特に限定されないが、多くはパーフルオロスルホン酸系や炭化水素系の固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、デュポン社(Du Pont社)のナフィオン(Nafion、登録商標)、ジャパンゴアテックス(株)のゴアセレクト(Goreselect、登録商標)、旭硝子(株)のフレミオン(Flemion、登録商標)等が挙げられる。また、電解質膜10の厚みは、特に限定されないが、10um〜200umが好ましく、これより薄いと破損しやすいため扱い難くなり、厚いと膜抵抗が大きくなり性能に問題を生じる。
The material of the
なお、本実施形態に係る燃料極の触媒層6は、触媒と電解質とから成り、本発明に係る第一の触媒層61と第二の触媒層62とを有する。同様に、本実施形態に係る燃料極の触媒層7は、触媒と電解質とから成り、本発明に係る第一の触媒層71と第二の触媒層72とを有する。触媒粒子には、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、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、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、酸化物や複酸化物等が使用できる。
The fuel
触媒粒子は単体で用いても良いが、導電性担体に担持させて用いる方が好ましい。導電性担体には、微粒子状で、導電性および化学的耐性を有するものであれば特に限定されない。この導電性担体として、一般的にはカーボン粒子が用いられ、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が挙げられる。これらカーボン粒子の粒径は、10nm〜1000nm程度が好ましい。カーボン粒子の粒径が、10nmよりも小さい場合は、電子伝導パスが形成され難くなり、逆に、1000nmより大きい場合は、電極触媒層6,7の厚みが増して電気抵抗が増加してしまう。 Although the catalyst particles may be used alone, it is preferable to use them supported on a conductive carrier. The conductive carrier is not particularly limited as long as it is in the form of fine particles and has conductivity and chemical resistance. As this conductive carrier, carbon particles are generally used, and examples thereof include carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene and the like. The particle size of these carbon particles is preferably about 10 nm to 1000 nm. When the particle size of the carbon particles is smaller than 10 nm, it is difficult to form an electron conduction path. Conversely, when the particle size is larger than 1000 nm, the thickness of the electrode catalyst layers 6 and 7 increases and the electric resistance increases. .
また、触媒層6,7に用いる電解質は、イオン伝導性を有するものであれば良い。また、触媒層6,7に用いる電解質と、電解質膜10とに、同質の材料を用いることが好ましい。その場合、触媒層6,7と電解質膜10との密着性が高められるので、燃料電池の性能を向上させることができる。そして、第一の触媒層61,71の形成手段は、特に限定されず、例えば、上述の触媒粒子、担体および電解質の混合物が分散されたスラリーを、電解質膜10に直接湿式塗布する方法と、転写基材または拡散層2,3に塗工した後で、転写により形成する転写法とのいずれでも構わない。
Moreover, the electrolyte used for the catalyst layers 6 and 7 should just have ion conductivity. Moreover, it is preferable to use the same material for the electrolyte used for the catalyst layers 6 and 7 and the
また、第二の触媒層62,72の形成手段は、直接湿式塗布する方法がよい。直接湿式塗布する方法のなかでも、所定位置への塗布がより容易であるディスペンサ印刷法やインクジェット印刷法が適している。
そして、第一の触媒層61,71の形成と、第二の触媒層62,72の形成とにおいて、必要に応じた乾燥工程を設ける。その乾燥工程における乾燥方法は特に限定されず、例えば、温風乾燥、赤外乾燥、減圧乾燥が挙げられる。
Further, the means for forming the second catalyst layers 62 and 72 is preferably a wet coating method. Among the direct wet coating methods, a dispenser printing method and an ink jet printing method that are easier to apply to a predetermined position are suitable.
Then, a drying process is provided as necessary in the formation of the first catalyst layers 61 and 71 and the formation of the second catalyst layers 62 and 72. The drying method in the drying step is not particularly limited, and examples thereof include warm air drying, infrared drying, and reduced pressure drying.
また、第二の触媒層62,72を形成するためのスラリーの溶媒または分散媒は、特に限定されないが、電解質を溶解または分散できるものが良い。一般的には、水、アルコール類、ケトン類、アミン類、エステル類、エーテル類、グリコールエーテル類が、好適である。そして、これらの溶媒または分散媒を種々の割合で混合したものもよく用いられる。 Moreover, the solvent or dispersion medium of the slurry for forming the second catalyst layers 62 and 72 is not particularly limited, but may be one that can dissolve or disperse the electrolyte. In general, water, alcohols, ketones, amines, esters, ethers and glycol ethers are suitable. A mixture of these solvents or dispersion media in various proportions is often used.
ガスケット部材8,9には、厚みが均一であること、および圧力を加えられた際の変形が小さいことが求められ、フイルムから構成されるものが好適である。フイルムから成るガスケット部材8,9とは、フイルムの少なくとも一方面に粘着層または接着層を備えるものであり、他方面に離型層を備えていても良い。粘着層または接着層は、フイルムと電解質膜10の間に具備され、界面のガスシール性を向上させる。離形層は、第二の触媒層62,72を形成する時に、ガスケット部材8,9表面に塗布された触媒スラリーの除去を容易にする。ガスケット部材8,9の材料としては、圧力を加えられても変形し難いものがよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド等の高分子材料が挙げられる。これらを単独で用いてもよく、また組み合わせて用いても良い。
The gasket members 8 and 9 are required to have a uniform thickness and small deformation when a pressure is applied, and those composed of films are suitable. The gasket members 8 and 9 made of a film include an adhesive layer or an adhesive layer on at least one surface of the film, and may include a release layer on the other surface. The pressure-sensitive adhesive layer or adhesive layer is provided between the film and the
膜電極接合体1は、例えば、電解質膜10に、第一の触媒層61,71を形成した後に、ガスケット部材8,9を貼り合わせ、その後で、触媒層61,71とガスケット部材8,9との隙間に、第二の触媒層62,72を形成するという順番で製造される。また、電解質膜10にガスケット部材8,9を貼り合せた後に、第一の触媒層61,71、つぎに第二の触媒層62,72を形成するという順番で製造しても良い。このように、膜電極接合体1の製造方法の一例として、第一の触媒層61を形成した後に、第二の触媒層62を形成することが好ましい。
In the
本実施形態に係る膜電極接合体1は、高分子電解質膜10の両面に燃料極の触媒層6と空気極の触媒層7とを対向して配置し、それぞれの触媒層6,7の周囲にガスケット部材8,9を配置したものである。そして、触媒層6,7は表面粗さが異なる二領域61,71,62,72に分けられている。その二領域61,71,62,72は、中央部を占める第一の触媒層61,71と、その第一の触媒層61,71の周囲を所定の幅Wで縁取るように取り囲む第二の触媒層62,72とから構成されている。その第二の触媒層62,72の幅Wは、0.1mm〜1mmである。このように、第一の触媒層の縁部を縁取る第二の触媒層の幅Wを、四辺全てにわたって0.1mm〜1mmとすることにより、その第二の触媒層形成に伴う電解質膜の膨潤や収縮に起因する膜電極接合体の歪みを回避できる。
In the
第一の触媒層61,71は、電解質膜10上の、触媒層が形成されるべき平面の領域よりWmmだけ内側の小さい平面の領域に形成される。また、第二の触媒層62,72は、第一の触媒層61,71の外縁よりもWmmだけ外側の広い平面の領域に形成される。Wの範囲は、0.1mm〜1mmである。Wの値が0.1mmより小さい場合、所定の位置にのみ精度よく触媒層スラリーを塗布することが難しくなる。逆に、Wの値が1mmより大きい場合、塗布スラリー量が多くなるため、電解質膜10が乾燥に伴う寸法変化や膨潤による寸法変化が無視できない程に大きくなる。その結果、膜電極接合体1に歪みを生じる。
The first catalyst layers 61 and 71 are formed on a small flat area on the
また、空気極は燃料極より過電圧が大きいため、空気極により多量の触媒層7を形成する構成であることも知られている。この場合、Wの値は、燃料極において0.1mm〜0.7mm、空気極において0.3mm〜1mmに設定することが好ましい。燃料極では固形分濃度の低いスラリーを用いる必要があるため、0.7mmを超える範囲に塗布した場合、溶媒による膨潤が起こりやすい。また、燃料極と同じ機構を用いて、より濃いスラリーを、0.3mmを下回る幅Wに塗布することは難しいが、0.3mmであれば、特別な工夫を施さなくても、容易に形成することができる。また、第一の触媒層61の厚さは、燃料極と空気極とで異なり、第二の触媒層62の幅Wは、燃料極において0.1mm〜0.7mm、空気極において0.3mm〜1mmである。
Further, since the air electrode has a larger overvoltage than the fuel electrode, it is also known that a large amount of the
第一の触媒層61,71の表面は、第二の触媒層62,72のそれよりも表面粗さ(SRa)が小さい。この表面の粗さの差は、塗布方法、またはスラリーの組成、あるいは乾燥条件等に起因する。触媒層縁部の表面が比較的粗いことは、縁部の局所的な劣化を防ぎ、耐久性において有利に働く。また、第一の触媒層61,71の表面粗さSRaは、0.01um〜0.80umであり、第二の触媒層62,72の表面粗さSRaは、第一の触媒層62の表面粗さSRaよりも大きい。この第二の触媒層62,72は、第一の触媒層の周囲である縁部を所定の幅Wで縁取るものである。その縁部における触媒層6,7の表面の粗さを異なる構成とすることにより、長時間または繰り返し運転を行った際にも、この縁部の局所的な劣化を妨げることが可能である。
The surfaces of the first catalyst layers 61 and 71 have a surface roughness (SRa) smaller than that of the second catalyst layers 62 and 72. This difference in surface roughness is attributed to the coating method, slurry composition, drying conditions, and the like. The relatively rough surface of the catalyst layer edge prevents local deterioration of the edge, which is advantageous in terms of durability. The surface roughness SRa of the first catalyst layers 61 and 71 is 0.01 μm to 0.80 μm, and the surface roughness SRa of the second catalyst layers 62 and 72 is the surface of the
第一の触媒層の表面粗さ(SRa)は、0.01〜0.8umである。0.01umより小さいと、ガスや水の拡散性が悪く、0.8umより大きいと触媒層と拡散層との接合面における接触抵抗が大きくなり、電池性能の低下を招く。また、第二の触媒層62,72の表面粗さSRaは、1.0um以下である。
第二の触媒層はその面積が小さく、前記接触抵抗の影響が小さいため、0.8umを超えてもかまわないが、1.0umを超えると電池性能の低下が見られる。
The surface roughness (SRa) of the first catalyst layer is 0.01 to 0.8 um. If it is less than 0.01 um, the diffusibility of gas or water is poor, and if it is more than 0.8 um, the contact resistance at the joint surface between the catalyst layer and the diffusion layer increases, leading to a decrease in battery performance. The surface roughness SRa of the second catalyst layers 62 and 72 is 1.0 μm or less.
Since the area of the second catalyst layer is small and the influence of the contact resistance is small, it may exceed 0.8 um, but if it exceeds 1.0 um, battery performance is deteriorated.
図3は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の触媒層表面の粗さ曲面を、走査型レーザー顕微鏡(Confocal laser scanning microscopy)によって観測した画像の一例である。なお、走査型レーザー顕微鏡を、以下、単にレーザー顕微鏡(laser microscope)ともいう。図3に示すような、本実施形態の触媒層表面の表面粗さ(SRa)は、レーザー顕微鏡を用いて得られる粗さ曲面から下式(1)に基づいて算出される。
SRa=(1/LM)∬f(x,y)dxdy・・・(1)
なお、図3に示すx,y,z座標軸は、z軸が上を向くz−up座標系である。そして、粗さ曲面のx方向長さをL、y方向長さをM、粗さ曲面をz=f(x,y)とする。つまり、図3の上方に矢印で示す粗さ曲面の標高の絶対値の平均値を示す。
FIG. 3 is an example of an image obtained by observing the roughness curved surface of the catalyst layer surface of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention with a scanning laser microscope (Confocal laser scanning microscope). Hereinafter, the scanning laser microscope is also simply referred to as a laser microscope. The surface roughness (SRa) of the catalyst layer surface of the present embodiment as shown in FIG. 3 is calculated based on the following equation (1) from a roughness curved surface obtained using a laser microscope.
SRa = (1 / LM) ∬f (x, y) dxdy (1)
Note that the x, y, and z coordinate axes shown in FIG. 3 are a z-up coordinate system in which the z axis faces upward. The length of the roughness curved surface in the x direction is L, the length in the y direction is M, and the roughness curved surface is z = f (x, y). That is, the average value of the absolute values of the elevation of the roughness curved surface indicated by the arrow at the top of FIG.
本実施形態において、触媒層表面の表面粗さ(SRa)は、レーザー顕微鏡を用いて測定される。図3にレーザー顕微鏡によって得られる触媒層表面の粗さ曲面の一例を示した。レーザー顕微鏡は、発振波長488nmのアルゴンイオンレーザー(Argon ion laser)を使用している。走査方式は、ガルバノメータスキャナ(Galvanometer Scanners)2個による光偏向であり、走査範囲は視野数16の円に内接する4:3の長方形領域である。ピンホールは、円形ピンホール、zレボルバ(revolver)上下方式、イメージローテータ(Image Rotator)は画像回転角±90°である。 In this embodiment, the surface roughness (SRa) of the catalyst layer surface is measured using a laser microscope. FIG. 3 shows an example of a curved surface of the catalyst layer surface obtained by a laser microscope. The laser microscope uses an argon ion laser having an oscillation wavelength of 488 nm. The scanning method is light deflection by two galvanometer scanners, and the scanning range is a 4: 3 rectangular area inscribed in a circle with 16 fields of view. The pinhole is a circular pinhole, a z-revolver up-down method, and an image rotator is an image rotation angle ± 90 °.
走査型レーザー顕微鏡は、レーザービームを対物レンズで微小なスポットに絞り、試料上をx−y方向に走査する。そして、試料表面からの光を検出器で捉えてモニタ上に試料像を表示出力する。共焦点光学系では、合焦位置と光学的に共役可能な位置にピンホールを配置することにより、合焦位置以外からの光を排除している。したがって、これらの光は画像中において暗黒になり段差のある試料を光学的にスライスすることができ、触媒層表面の粗さ曲面を求めることができる。 In a scanning laser microscope, a laser beam is narrowed down to a minute spot by an objective lens, and a sample is scanned in the xy directions. Then, the light from the sample surface is captured by the detector, and the sample image is displayed and output on the monitor. In the confocal optical system, light from other than the in-focus position is excluded by arranging a pinhole at a position that can be optically conjugate with the in-focus position. Therefore, these lights are dark in the image, and a sample having a step can be optically sliced, and a rough curved surface of the catalyst layer surface can be obtained.
以上、本実施形態に係る膜電極接合体1およびこれを備えた燃料電池セルについて説明したが、膜電極接合体1は燃料電池セルのみに適用されるものではない。以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されない。
As described above, the
触媒層用スラリーとして、白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属)と水とを混合した後、これに2−プロパノール(2−propanol)と電解質(Nafion(登録商標)分散液、和光純薬工業)を加えて撹拌して得たものを用いた。
開口部(サイズ50mm×50mm)を有する粘着層付きPETフイルム(二軸延伸PET(ポリエチレンテレフタレート))を、ガスケット部材8,9として、電解質膜(Nafion(登録商標)211CS、デュポン)の両面に貼り付けたものを、ガスケット部材8,9付きの電解質膜とした。
As catalyst layer slurry, platinum-supported carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku) and water are mixed, and then 2-propanol (2-propanol) and an electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are mixed therewith. In addition, what was obtained by stirring was used.
Adhesive layer-attached PET film (biaxially stretched PET (polyethylene terephthalate)) having an opening (size 50 mm × 50 mm) is attached to both surfaces of an electrolyte membrane (Nafion (registered trademark) 211CS, DuPont) as gasket members 8 and 9. The attached membrane was an electrolyte membrane with gasket members 8 and 9.
ガスケット部材8,9が貼り付けられた電解質膜10に、触媒層用スラリーをドクタープレートで塗工し、さらに100℃の炉内で乾燥することで、膜電極接合体1を製造した。この段階で、ガスケット部材8,9と触媒層6,7との間の隙間をなくすことはできず、最も狭い隙間は0.08mmであった。さらに、ガスケット部材8,9の縁部から隙間を0.5mm、あるいは2mm空けた内側の範囲に、第一の触媒層61,71を有する膜電極接合体1を得た。これらを比較例1,2および3とする。
The
さらに、ディスペンサ印刷法および100℃の炉内乾燥により、それぞれの幅Wを2mm,0.5mm、あるいは0.08mmの第二の触媒層62,72を形成し、第一の触媒層61,62および第二の触媒層62,72を有する膜電極接合体1を製造した。これらをそれぞれ比較例4、実施例1および比較例5とする。加えて、比較例1〜3と同様に、ガスケット部材8,9と第一の触媒層61,71との間の隙間を、0.1mmまたは1mm空けて膜電極接合体1を製造した。これらに実施例1と同様にそれぞれ幅W0.1mmおよび1mmの第二の触媒層を形成したものを、実施例2および実施例3とした。
Furthermore, the second catalyst layers 62 and 72 having a width W of 2 mm, 0.5 mm, or 0.08 mm are formed by the dispenser printing method and drying in the furnace at 100 ° C., and the first catalyst layers 61 and 62 are formed. And the
比較例4,5および実施例1〜3の触媒層表面の表面粗さ(SRa)を算出したところ、第一の触媒層のSRaは0.3umであり、第二の触媒層のSRaは0.5umであった。これら膜電極接合体1の両面に、拡散層(SIGRACET 35BC,SGL)を配置して、市販のJARI標準セルを用いてOCV耐久試験を実施した。セル温度は100℃として、燃料極に加湿水素、カソードに加湿酸素を供給した。耐久時間が25時間を超えるものを適格(○)、超えないものを不適格(×)として、試験結果を表1に示す。
When the surface roughness (SRa) of the catalyst layer surfaces of Comparative Examples 4 and 5 and Examples 1 to 3 was calculated, SRa of the first catalyst layer was 0.3 um, and SRa of the second catalyst layer was 0. It was .5um. Diffusion layers (SIGRACET 35BC, SGL) were arranged on both surfaces of these
表1に示すとおり、比較例1〜5はいずれも耐久性の点で不適格であり、実施例1〜3は適格であった。
この試験結果から、本発明による膜電極接合体は、耐久性に優れることが確認できた。
As shown in Table 1, Comparative Examples 1 to 5 were all unqualified in terms of durability, and Examples 1 to 3 were qualified.
From this test result, it was confirmed that the membrane electrode assembly according to the present invention was excellent in durability.
1 膜電極接合体
2,3 拡散層
4,5 セパレータ
6 燃料極の触媒層
7 空気極の触媒層
8,9 ガスケット部材
10 電解質膜
41,51 ガス流路
61 燃料極の第一の触媒層
62 燃料極の第二の触媒層
71 空気極の第一の触媒層
72 空気極の第二の触媒層
W 第二の触媒層の幅
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記触媒層は表面粗さが異なる二領域に分けられ、
該二領域は、中央部を占める第一の触媒層と、該第一の触媒層の周囲を所定の幅で縁取るように取り囲む第二の触媒層とから構成され、
該第二の触媒層の前記幅は、0.1mm〜1mmであることを特徴とする膜電極接合体。 A membrane electrode assembly in which a catalyst layer is disposed opposite to both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and a gasket member is disposed around each catalyst layer,
The catalyst layer is divided into two regions with different surface roughness,
The two regions are composed of a first catalyst layer that occupies a central portion and a second catalyst layer that surrounds the first catalyst layer with a predetermined width around the periphery of the first catalyst layer,
The width | variety of this 2nd catalyst layer is 0.1 mm-1 mm, The membrane electrode assembly characterized by the above-mentioned.
前記第二の触媒層の表面粗さ(SRa)は、前記第一の触媒層の表面粗さ(SRa)よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。 The surface roughness (SRa) of the first catalyst layer is 0.01 um to 0.80 um,
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the surface roughness (SRa) of the second catalyst layer is larger than the surface roughness (SRa) of the first catalyst layer.
前記第二の触媒層の前記幅は、前記燃料極において0.1mm〜0.7mm、前記空気極において0.3mm〜1mmであることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の膜電極接合体。 The thickness of the first catalyst layer is different between the fuel electrode and the air electrode,
5. The width according to claim 1, wherein the width of the second catalyst layer is 0.1 mm to 0.7 mm at the fuel electrode and 0.3 mm to 1 mm at the air electrode. The membrane electrode assembly as described.
前記触媒層は表面粗さが異なる二領域に分けられ、
該二領域は、中央部を占める第一の触媒層を形成した後に、
該第一の触媒層の周囲を0.1mm〜1mmの幅で縁取るように取り囲む第二の触媒層を形成することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly in which a catalyst layer is disposed opposite to both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and a gasket member is disposed around each catalyst layer,
The catalyst layer is divided into two regions with different surface roughness,
The two regions are formed after forming the first catalyst layer occupying the central portion.
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising: forming a second catalyst layer that surrounds the first catalyst layer with a width of 0.1 mm to 1 mm.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013067022A JP6127641B2 (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Membrane electrode assembly, fuel cell using the same, and method for producing membrane electrode assembly |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013067022A JP6127641B2 (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Membrane electrode assembly, fuel cell using the same, and method for producing membrane electrode assembly |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014192016A true JP2014192016A (en) | 2014-10-06 |
JP6127641B2 JP6127641B2 (en) | 2017-05-17 |
Family
ID=51838083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013067022A Active JP6127641B2 (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Membrane electrode assembly, fuel cell using the same, and method for producing membrane electrode assembly |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6127641B2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007173225A (en) * | 2005-11-25 | 2007-07-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Film catalyst layer bonded element, membrane-electrode bonded element, fuel cells, and fuel cell stack |
JP2009259782A (en) * | 2008-03-18 | 2009-11-05 | Toppan Printing Co Ltd | Method of manufacturing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and solid high polymer fuel cell |
JP2011008940A (en) * | 2009-06-23 | 2011-01-13 | Toyota Motor Corp | Membrane-electrode assembly, and fuel battery |
-
2013
- 2013-03-27 JP JP2013067022A patent/JP6127641B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007173225A (en) * | 2005-11-25 | 2007-07-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Film catalyst layer bonded element, membrane-electrode bonded element, fuel cells, and fuel cell stack |
JP2009259782A (en) * | 2008-03-18 | 2009-11-05 | Toppan Printing Co Ltd | Method of manufacturing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and solid high polymer fuel cell |
JP2011008940A (en) * | 2009-06-23 | 2011-01-13 | Toyota Motor Corp | Membrane-electrode assembly, and fuel battery |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6127641B2 (en) | 2017-05-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8202662B2 (en) | Fuel cell, membrane electrode assembly and manufacturing method thereof | |
JP7544203B2 (en) | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
JP7363976B2 (en) | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
WO2018155220A1 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
JP5532630B2 (en) | Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP7238801B2 (en) | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
WO2019088042A1 (en) | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell | |
JP7310800B2 (en) | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
US11581546B2 (en) | Catalyst layer, membrane electrode assembly, and polyelectrolyte fuel cell | |
JP2020057516A (en) | Electrode layer, membrane electrode assembly including the electrode layer, and fuel cell | |
WO2017154475A1 (en) | Catalyst composition, method for producing polymer electrolyte membrane electrode assembly, and polymer electrolyte membrane electrode assembly | |
JP6127641B2 (en) | Membrane electrode assembly, fuel cell using the same, and method for producing membrane electrode assembly | |
JP6686272B2 (en) | Gasket member, membrane electrode assembly using the same, and fuel cell | |
JP5326458B2 (en) | Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP7243208B2 (en) | Electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP7119402B2 (en) | MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND POLYMER FUEL CELL INCLUDING THE SAME | |
JP2010257669A (en) | Membrane electrode assembly, method for manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP6521168B1 (en) | Catalyst layer, membrane electrode assembly, solid polymer fuel cell | |
JP6326862B2 (en) | Membrane electrode assembly, fuel cell, and method of manufacturing membrane electrode assembly | |
JP2009245932A (en) | Electrode catalyst ink for fuel cell, electrode catalyst layer, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP7484888B2 (en) | Catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP6368996B2 (en) | Membrane electrode assembly | |
JP2018037367A (en) | Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and solid polymer fuel cell | |
JP2016219332A (en) | Membrane electrode assembly, manufacturing method of membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell | |
JP2017183078A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160219 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161227 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161227 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170224 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170314 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170327 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6127641 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |