JP2002324556A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、セパレータと電極
の密着性を改善した固体高分子型燃料電池セルに関す
る。The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having improved adhesion between a separator and an electrode.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、固体高分子型燃料電池セルとして
は、図1に示すものが知られている。図中の固体高分子
電解質膜1はプロトン伝導性を有するものである。その
両側に、燃料(水素、メタノール等)に対する酸化能を
有する触媒層2、或いは、酸化剤(酸素、空気等)に対
する還元能を有する触媒層3がそれぞれ形成されたガス
拡散電極4が配置、接合され、膜−電極接合体5が構成
される。固体高分子電解質膜1の端部は、ガス拡散電極
4の端部より外側に突出しており、その突出部分の両側
に燃料及び酸化剤の漏洩を抑制するためのガスシール
(例えば、ゴム製パッキンやシーリング剤)6が設けら
れている。これらの膜−電極接合体5及びガスシール6
が、燃料供給路7或いは酸化剤供給路8がそれぞれ形成
されたセパレータ9で狭持され、固体高分子型燃料電池
セル10が構成される。2. Description of the Related Art Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 1 is known. The solid polymer electrolyte membrane 1 in the figure has proton conductivity. On both sides thereof, a gas diffusion electrode 4 on which a catalyst layer 2 having an oxidizing ability for a fuel (hydrogen, methanol, etc.) or a catalyst layer 3 having a reducing ability for an oxidizing agent (oxygen, air, etc.) is disposed, The membrane-electrode assembly 5 is joined. An end of the polymer electrolyte membrane 1 protrudes outward from an end of the gas diffusion electrode 4, and a gas seal (for example, rubber packing) for suppressing leakage of fuel and oxidant is provided on both sides of the protruding portion. And a sealing agent) 6 are provided. These membrane-electrode assembly 5 and gas seal 6
Are sandwiched by separators 9 each having a fuel supply path 7 or an oxidant supply path 8 formed therein, and a polymer electrolyte fuel cell 10 is configured.
【0003】従来、固体高分子型燃料電池セル10を構
成する個々の材料については、各々詳細に検討されてき
ている。例えば、特開2000−100456号公報に
は、発電領域である電極接合部分の固体高分子電解質の
厚みを電極周縁部より突出した部分の厚みより薄くする
ように構成した膜−電極接合体の製造方法が提案されて
いる。これにより、発電領域の抵抗を低減するととも
に、非発電領域での膜の破損が防止できる高性能な固体
高分子型燃料電池が得られるとされている。特開平11
−345620号公報には、フッ素系樹脂等の硬いガス
シールを使用した場合、電極とガスシールの厚みを予め
精度良く調整しておく必要性が指摘されている。又、特
開平11−219714号公報には、ガスシールにシリ
コンゴムを使用した場合は、シロキサン結合が切れる劣
化の問題が指摘されている。Heretofore, individual materials constituting the polymer electrolyte fuel cell 10 have been studied in detail. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-100456 discloses a method of manufacturing a membrane-electrode assembly in which the thickness of a solid polymer electrolyte at an electrode bonding portion, which is a power generation region, is made smaller than the thickness of a portion protruding from an electrode periphery. A method has been proposed. It is said that a high-performance polymer electrolyte fuel cell capable of reducing the resistance in the power generation region and preventing the membrane from being damaged in the non-power generation region can be obtained. JP 11
JP-A-345620 points out that when a hard gas seal such as a fluororesin is used, it is necessary to precisely adjust the thickness of the electrode and the gas seal in advance. Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-219714 points out a problem of deterioration in which a siloxane bond is broken when silicon rubber is used for a gas seal.
【0004】即ち、ガスシールの厚みや材料を注意深く
選択しなければ、セパレータとガスシールに隙間が生
じ、燃料或いは酸化剤ガスがリークして性能が低下した
り、セパレータと電極の密着性が充分確保できず、所望
の発電特性が発現しないことがあった。That is, if the thickness and the material of the gas seal are not carefully selected, a gap is formed between the separator and the gas seal, and the fuel or oxidant gas leaks and the performance is reduced, and the adhesion between the separator and the electrode is insufficient. In some cases, the desired power generation characteristics could not be obtained.
【0005】[0005]
【本発明が解決しようとする課題】本発明はこのような
現状を考慮してなされたものであって、固体高分子電解
質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合体と、電極周
縁部の膜上に積層配置されたガスシールをセパレータで
狭持した固体高分子型燃料電池セルであって、セパレー
タ狭持前のガスシールの厚みを電極の厚みよりも薄く
し、セパレータと電極の密着性を改善することにより、
優れた発電特性を発現しうる固体高分子型燃料電池セル
を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such a situation, and has been developed in consideration of a membrane-electrode assembly in which electrodes are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and an electrode peripheral portion. A polymer electrolyte fuel cell in which a gas seal laminated on a membrane is sandwiched between separators, and the thickness of the gas seal before sandwiching the separator is made smaller than the thickness of the electrode, so that the separator and the electrode adhere to each other. By improving the gender,
It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of exhibiting excellent power generation characteristics.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、固体高分
子電解質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合体と、
電極周縁部の膜上に積層配置されたガスシールを、セパ
レータで狭持した固体高分子型燃料電池セルであって、
セパレータで狭持する前のガスシールの厚みが電極の厚
みよりも薄いものであることを特徴とする固体高分子型
燃料電池セルである。 また、本発明の固体高分子型燃
料電池セルは、電極の厚み(d1)と、ガスシールの厚
み(d2)が、0.3×d1<d2<0.9×d1の関係式
を満たすことが好ましい。That is, the present invention provides a membrane-electrode assembly in which electrodes are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
A gas seal laminated on the membrane of the electrode peripheral portion, a polymer electrolyte fuel cell unit sandwiched by a separator,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the thickness of the gas seal before being held by the separator is smaller than the thickness of the electrode. In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the thickness of the electrode (d 1 ) and the thickness of the gas seal (d 2 ) are 0.3 × d 1 <d 2 <0.9 × d 1 . It is preferable to satisfy the relational expression.
【0007】本発明の固体高分子型燃料電池セルに使用
される固体高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンス
ルホン酸膜、或いは、プロトン伝導性置換基又はプロト
ン伝導性物質を含有するポリイミド、或いは、プロトン
伝導性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリフ
ェニレンサルファイド、のいずれかであることが好まし
い。The solid polymer electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, a polyimide containing a proton conductive substituent or a proton conductive substance, or a proton polymer. It is preferable to use either a conductive substituent or polyphenylene sulfide containing a proton conductive substance.
【0008】更に、本発明の固体高分子型燃料電池スタ
ックは、前記固体高分子型燃料電池セルを複数枚積層し
たものであることが好ましい。Further, the polymer electrolyte fuel cell stack of the present invention is preferably a stack of a plurality of the polymer electrolyte fuel cells.
【0009】[0009]
【発明実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail.
【0010】本発明の固体高分子型燃料電池セルは、固
体高分子電解質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合
体と、電極周縁部の膜上に積層配置されたガスシール
を、セパレータで狭持した固体高分子型燃料電池セルで
あって、セパレータ狭持前のガスシールの厚みを電極の
厚みよりも薄くし、セパレータと電極の密着性を改善し
たことを特徴とするものである。The polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a membrane-electrode assembly in which electrodes are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a gas seal laminated on the membrane at the periphery of the electrode. Wherein the thickness of the gas seal before sandwiching the separator is made smaller than the thickness of the electrode, thereby improving the adhesion between the separator and the electrode. .
【0011】図2に示した固体高分子型燃料電池セル
(セパレータで狭持する前)の要部断面図に従って本発
明を説明する。固体高分子電解質膜1の両側に、d1の
厚みを有するガス拡散電極4が配置され、膜−電極接合
体5が構成される。更に電極4の周縁部の電極4の端部
より突出した固体高分子電解質膜1上に、電極の厚さd
1よりも薄い厚みd2を有するガスシール6が積層配置さ
れる。これらが図1に示したようにセパレータ9で狭持
され、本発明の固体高分子型燃料電池セル10が構成さ
れる。The polymer electrolyte fuel cell shown in FIG.
(Before holding by the separator)
Explain the light. On both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1, d1of
A gas diffusion electrode 4 having a thickness is arranged, and membrane-electrode bonding is performed.
The body 5 is constituted. Further, the end of the electrode 4 at the periphery of the electrode 4
On the more protruding solid polymer electrolyte membrane 1, the thickness d of the electrode
1Thinner than dTwoGas seals 6 having
It is. These are held by the separator 9 as shown in FIG.
Thus, the polymer electrolyte fuel cell 10 of the present invention is configured.
It is.
【0012】ここで、電極4の厚みd1は、燃料極の触
媒層2又は酸化剤極の触媒層3と、これらの支持体であ
る導電性のカーボンペーパーやカーボンクロス等の厚み
の和で定義される。電極4の厚みd1やガスシールの厚
みd2は、それぞれマイクロメーターやダイヤルゲージ
のような一般的な厚み測定治具の計測値で規定される。Here, the thickness d 1 of the electrode 4 is the sum of the thickness of the catalyst layer 2 of the fuel electrode or the catalyst layer 3 of the oxidizer electrode and the thickness of the support such as conductive carbon paper or carbon cloth. Defined. The thickness d 1 of the electrode 4 and the thickness d 2 of the gas seal are defined by measured values of a general thickness measuring jig such as a micrometer and a dial gauge, respectively.
【0013】このとき、セパレータ9で狭持した部分の
厚みは、セパレータ9を狭持する圧力や、固体高分子電
解質1、電極4、ガスシール6それぞれの厚みや圧縮変
形歪み、電極部分とガスシール部分の面積比、等によっ
て異なるが、概ね固体高分子電解質膜の厚みとガスシー
ルの厚みの和よりもやや薄い厚みで規定されることとな
る。At this time, the thickness of the portion held by the separator 9 depends on the pressure holding the separator 9, the thickness of each of the solid polymer electrolyte 1, the electrode 4 and the gas seal 6, the compressive deformation strain, the electrode portion and the gas. Although it varies depending on the area ratio of the seal portion, etc., the thickness is generally determined to be slightly smaller than the sum of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane and the thickness of the gas seal.
【0014】このとき、セパレータ9で狭持した部分の
厚みは、セパレータ9を狭持する圧力や、固体高分子電
解質1、電極4、ガスシール6それぞれの厚みや圧縮変
形歪み、電極部分とガスシール部分の面積比、等によっ
て異なるが、概ね固体高分子電解質膜の厚みとガスシー
ルの厚みの和よりもやや薄い厚みで規定されることとな
る。このとき、電極4の厚みd1とガスシールの厚みd2
は、0.3×d1<d2<0.9×d1の関係式を満たす
ことが好ましい。更に、0.4×d1<d2<0.8×d
1の関係式を満たすことがより好ましい。このように、
電極とガスシールの厚みを適正化することによって、セ
パレータ9とガス拡散電極4が充分に密着し、燃料流路
7及び酸化剤流路8が確実に形成されるとともに、ガス
拡散電極4とセパレータ9の導電性も確保できる。従っ
て、燃料流路7を通じて燃料(水素、メタノール等)
が、ガス拡散電極4に効率的かつ均一に供給されやすく
なる。また、酸化剤流路8を通じて酸化剤(酸素、空気
等)が、ガス拡散電極4に効率的かつ均一に供給されや
すくなる。そのため、触媒層2、3において、効率的な
触媒反応が起こり、優れた発電特性を示すと推定され
る。また、燃料や酸化剤を加湿するために供給される水
や、酸化剤極での生成水も、電極4中を効率的かつ均一
に拡散できるため、水によるガス拡散層の閉塞が起こり
にくく、発電特性の低下が生じにくいと推定される。ガ
スシール6の厚みが、これらの範囲よりも小さい場合
は、ガスシール6とセパレータ9や固体高分子電解質膜
1との密着性が不充分となり、ガスシール6が配置され
ている電極4の周縁部側に燃料や酸化剤が漏れやすくな
り、燃料や酸化剤が有効に使用されず、セルの性能を低
下させる恐れがあり、好ましくない。又、ガスシール6
の厚みが、これらの範囲よりも大きい場合は、電極4と
セパレータ9の接触が不充分となって、燃料や酸化剤が
効率的に電極4に供給されなかったり、セパレータ9と
電極4の導電性不良が生じ、セルの性能を低下させる恐
れがあり、好ましくない。At this time, the thickness of the portion held by the separator 9 depends on the pressure holding the separator 9, the thickness of each of the solid polymer electrolyte 1, the electrode 4 and the gas seal 6, the compressive deformation strain, the electrode portion and the gas. Although it varies depending on the area ratio of the seal portion, etc., the thickness is generally determined to be slightly smaller than the sum of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane and the thickness of the gas seal. At this time, the thickness d 1 of the electrode 4 and the thickness d 2 of the gas seal
Preferably satisfies the relational expression 0.3 × d 1 <d 2 <0.9 × d 1 . Furthermore, 0.4 × d 1 <d 2 <0.8 × d
It is more preferable to satisfy the relational expression of 1 . in this way,
By optimizing the thickness of the electrode and the gas seal, the separator 9 and the gas diffusion electrode 4 are sufficiently adhered to each other, so that the fuel flow path 7 and the oxidant flow path 8 are surely formed. 9 can also be secured. Therefore, the fuel (hydrogen, methanol, etc.)
Is easily and efficiently supplied to the gas diffusion electrode 4. Further, the oxidant (oxygen, air, etc.) is easily and efficiently supplied to the gas diffusion electrode 4 through the oxidant flow path 8. Therefore, it is presumed that an efficient catalytic reaction occurs in the catalyst layers 2 and 3 and that the catalyst layers 2 and 3 exhibit excellent power generation characteristics. In addition, water supplied for humidifying the fuel and the oxidant and water generated at the oxidant electrode can also be efficiently and uniformly diffused in the electrode 4, so that the gas diffusion layer is less likely to be clogged by the water, It is estimated that the power generation characteristics are unlikely to decrease. If the thickness of the gas seal 6 is smaller than these ranges, the adhesion between the gas seal 6 and the separator 9 or the solid polymer electrolyte membrane 1 becomes insufficient, and the periphery of the electrode 4 on which the gas seal 6 is disposed The fuel and the oxidant are likely to leak to the part side, the fuel and the oxidant are not effectively used, and the performance of the cell may be deteriorated, which is not preferable. Gas seal 6
If the thickness is larger than these ranges, the contact between the electrode 4 and the separator 9 becomes insufficient, so that the fuel or the oxidizing agent is not efficiently supplied to the electrode 4 or the conductive property between the separator 9 and the electrode 4 is low. Poor performance may occur and cell performance may be reduced, which is not preferable.
【0015】次に本発明の固体高分子型燃料電池セル1
0の構成材料について説明する。固体高分子電解質膜1
としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フ
ェノール性水酸基等のプロトン伝導性置換基、12−タ
ングストりん酸、タングステンペルオキソ錯体、モノド
デシルフォスフェート、リン酸等のプロトン伝導性物質
を含有する高分子膜が使用可能である。また、高分子膜
の保水性やプロトン伝導性物質の保持性等を改善するた
めに、シリカ等のケイ素系化合物に代表される無機物質
を複合化させたものを使用しても良い。このような高分
子電解質膜としては、例えば、ナフィオン(デュポン
製)、フレミオン(旭硝子製)、アシプレックス(旭化
成製)等に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸
膜、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(特開平6
−93114号公報等)、スルホン化ポリエーテルスル
ホン(特開平10―45913号公報等)、スルホン化
ポリスルホン(特開平9−245818号公報等)、ス
ルホン化ポリフェニレンサルファイド(特表平11−5
10198等)やスルホン化ポリイミド(特表2000
−510511号公報等)、スルホン化SEBS(スチ
レン−(エチレン−ブチレン)−スチレンの略)(特表
平10−503788号公報等)、プロトン伝導性付与
剤と有機高分子化合物の複合材料からなるプロトン伝導
性膜(特開2000−90946号公報等)が例示でき
るが、本発明はこれらに限定されるものでなく、これら
の改良品或いは他の組成を有するものも使用可能であ
る。本発明においては、燃料電池用膜としての要求特性
(プロトン伝導度、ガス遮断性、熱的・化学的安定性、
コスト等)を考慮すると、パーフルオロカーボンスルホ
ン酸膜、プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性物質
を含有するポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、
のいずれかであることが好ましい。Next, the polymer electrolyte fuel cell 1 of the present invention
The constituent material No. 0 will be described. Solid polymer electrolyte membrane 1
Examples thereof include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, carboxylic acid groups, proton conductive substituents such as phenolic hydroxyl groups, 12-tungstophosphoric acid, tungsten peroxo complexes, monododecyl phosphate, and proton conductive substances such as phosphoric acid. Containing polymer membranes can be used. Further, in order to improve the water retention of the polymer membrane, the retention of the proton conductive substance, and the like, a composite of an inorganic substance typified by a silicon-based compound such as silica may be used. Such polymer electrolyte membranes include, for example, perfluorocarbon sulfonic acid membranes represented by Nafion (manufactured by DuPont), Flemion (manufactured by Asahi Glass), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei), and sulfonated polyetheretherketone (JP-A-Hei. 6
-93114, etc.), sulfonated polyethersulfone (JP-A-10-45913, etc.), sulfonated polysulfone (JP-A-9-245818, etc.), sulfonated polyphenylene sulfide (Tokuhyohei 11-5)
10198, etc.) and sulfonated polyimide (Table 2000)
JP-A-5510511), sulfonated SEBS (abbreviation of styrene- (ethylene-butylene) -styrene) (JP-A-10-503788), and a composite material of a proton-conductivity imparting agent and an organic polymer compound. A proton conductive membrane (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-90946, etc.) can be exemplified, but the present invention is not limited to these, and an improved product thereof or a product having another composition can also be used. In the present invention, the characteristics required for a fuel cell membrane (proton conductivity, gas barrier properties, thermal / chemical stability,
Cost, etc.), a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, a polyimide containing a proton conductive substituent or a proton conductive substance, polyphenylene sulfide,
It is preferable that it is either.
【0016】パーフルオロカーボンスルホン酸膜として
は、市販されているナフィオン(デュポン製)、フレミ
オン(旭硝子製)、アシプレックス(旭化成製)、ゴア
セレクト(ゴアテックス製)等を使用することが好まし
い。又、ポリテトラフルオロエチレン等の繊維や多孔質
支持体、不織布等で補強したものも使用可能である。As the perfluorocarbon sulfonic acid membrane, it is preferable to use commercially available Nafion (manufactured by DuPont), Flemion (manufactured by Asahi Glass), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei), Gore Select (manufactured by Gore-Tex), or the like. In addition, fibers reinforced with a fiber such as polytetrafluoroethylene, a porous support, or a nonwoven fabric can also be used.
【0017】プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性
物質を含有するポリイミドとしては、特表2000−5
10511号公報に記載されているようなスルホン酸基
含有ジアミンを共重合成分としたスルホン化ポリイミド
や、カプトン(デュポン製)、アピカル(鐘淵化学工業
製)、ユーピレックス(宇部興産製)等の芳香族系ポリ
イミドフィルムとスルホン化剤(クロロスルホン酸、三
酸化硫黄、発煙硫酸、濃硫酸等)を接触させてスルホン
酸基を導入したポリイミドフィルム、ポリイミドとプロ
トン伝導性物質(リン酸、12−タングストりん酸等)
を複合化させたもの等を使用することが好ましい。The polyimide containing a proton conductive substituent or a proton conductive substance is described in JP-A-2000-5.
Patent No. 10511, sulfonated polyimide containing a sulfonic acid group-containing diamine as a copolymer component, and aromatic compounds such as Kapton (manufactured by Dupont), Apical (manufactured by Kaneka Chemical Industry), and Upilex (manufactured by Ube Industries) Polyimide film in which a sulfonic acid group is introduced by bringing a group-based polyimide film into contact with a sulfonating agent (chlorosulfonic acid, sulfur trioxide, fuming sulfuric acid, concentrated sulfuric acid, etc.), polyimide and a proton-conductive substance (phosphoric acid, 12-tungstic acid) Phosphoric acid)
It is preferable to use a compound of the above.
【0018】プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性
物質を含有するポリイミドとしては、特表平11−51
0198号公報に記載されているような溶媒可溶性のス
ルホン化ポリフェニレンサルファイドを調製し製膜した
ものや、トレリナ(東レ製)等のポリフェニレンサルフ
ァイドフィルムとスルホン化剤(クロロスルホン酸、三
酸化硫黄、発煙硫酸、濃硫酸等)を接触させてスルホン
酸基を導入したポリフェニレンサルファイドフィルム等
を使用することが好ましい。Examples of the polyimide containing a proton conductive substituent or a proton conductive substance include those described in JP-A-11-51.
No. 0198, a solvent-soluble sulfonated polyphenylene sulfide prepared and formed into a film, or a polyphenylene sulfide film such as Torelina (manufactured by Toray Industries, Inc.) and a sulfonating agent (chlorosulfonic acid, sulfur trioxide, fuming) It is preferable to use a polyphenylene sulfide film or the like in which a sulfonic acid group is introduced by contact with sulfuric acid or concentrated sulfuric acid.
【0019】固体高分子電解質膜の厚みは特に限定され
ないが、実用的な機械的強度や燃料・酸化剤の遮断性を
有する範囲で薄い程良く、概ね5〜200μmの範囲で
あることが好ましい。The thickness of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably as thin as possible, as long as it has practical mechanical strength and fuel / oxidant barrier properties, and is preferably in the range of about 5 to 200 μm.
【0020】本発明に使用するガス拡散電極4として
は、通常の固体高分子型燃料電池に用いられるものが使
用可能である。具体的には、ガスが透過可能な微細孔を
有した導電性のカーボンペーパーやカーボンクロスを支
持体として、燃料(水素やメタノール等)の酸化能を有
する白金や白金/ルテニウム等の貴金属触媒が活性炭等
の担体に担持されたもの、酸化剤(酸素や空気等)の還
元能を有する白金等の貴金属触媒が活性炭等の担体に担
持されたもの、により触媒層2、3がそれぞれ形成され
たものが使用される。固体高分子電解質膜1の両側に、
このガス拡散電極2の触媒層2、3面側が配置され、プ
ロトン伝導性を有する高分子化合物からなる接着層によ
り接合して調製された膜−電極接合体5が使用される。
ガス拡散電極4としては、E−TEK社やElectr
oChem社等から市販されているものを使用しても、
上記のような材料を使用して、独自に調製したものを使
用しても構わない。As the gas diffusion electrode 4 used in the present invention, those used in ordinary polymer electrolyte fuel cells can be used. Specifically, a noble metal catalyst such as platinum or platinum / ruthenium, which has the ability to oxidize a fuel (hydrogen, methanol, etc.), is supported on a conductive carbon paper or carbon cloth having fine pores through which gas can pass. The catalyst layers 2 and 3 were respectively formed by one supported on a carrier such as activated carbon and one supported on a carrier such as activated carbon by a noble metal catalyst such as platinum having a reducing ability of an oxidizing agent (oxygen or air). Things are used. On both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1,
A membrane-electrode assembly 5 is used in which the catalyst layers 2 and 3 of the gas diffusion electrode 2 are arranged and bonded by an adhesive layer made of a polymer compound having proton conductivity.
As the gas diffusion electrode 4, E-TEK or Electr
Even if a commercially available product from oChem or the like is used,
It is also possible to use a material prepared independently using the above materials.
【0021】本発明のガスシール6としては、燃料や酸
化剤の遮断性を有するものであれば使用可能である。一
般的には柔軟なゴム製等のガスシールが使用可能であ
る。ガスシール6に使用する材料としては、フッ素ゴ
ム、シリコンゴム、オレフィン系ゴム(エチレン−プロ
ピレンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブ
チルゴム等)、ジエン系ゴム(イソプレンゴム、ブタジ
エンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム等)等が例
示でき、これらをブレンドしたものを使用することも可
能である。ガスシール6は、予め所定の厚みや形状に加
工(シート状やOリング状等)されたももを配置した
り、流動性を有するシーリング材等を所定の厚みや形状
に塗布し、硬化させて使用できる。更に、セパレータ9
や固体高分子電解質膜1との接着性を有しているものも
使用可能である。As the gas seal 6 of the present invention, any gas seal having a property of blocking fuel and oxidant can be used. Generally, a flexible gas seal made of rubber or the like can be used. Materials used for the gas seal 6 include fluoro rubber, silicon rubber, olefin rubber (ethylene-propylene rubber, acrylic rubber, butyl rubber, halogenated butyl rubber, etc.), diene rubber (isoprene rubber, butadiene rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber). Rubber, etc.), and a blend of these can be used. The gas seal 6 is provided with a material processed in advance into a predetermined thickness or shape (sheet shape, O-ring shape, or the like), or is applied with a fluid sealing material or the like to a predetermined thickness or shape and cured. Can be used. Further, the separator 9
And those having adhesiveness to the solid polymer electrolyte membrane 1 can also be used.
【0022】セパレータ9としては、導電性を有し、機
械的・電気化学的に安定なものが使用可能である。一般
的には、カーボングラファイトやステンレス鋼等を加工
して、燃料及び酸化剤流路を形成したものが使用され
る。As the separator 9, a separator having conductivity and mechanically and electrochemically stable can be used. Generally, a material obtained by processing carbon graphite, stainless steel, or the like to form a fuel and oxidant flow path is used.
【0023】本発明の固体高分子型燃料電池スタック
は、上述した固体高分子型燃料電池セルを任意に複数枚
積層して構成される。用途に応じたサイズ、出力(電流
・電圧)を考慮して、セルのサイズや積層枚数等の仕様
を決定すればよい。それによって、優れた発電特性を有
する固体高分子型燃料電池スタックを得ることができ、
好ましい。The polymer electrolyte fuel cell stack of the present invention is constituted by arbitrarily stacking a plurality of the polymer electrolyte fuel cells described above. The specifications such as the cell size and the number of stacked cells may be determined in consideration of the size and output (current / voltage) according to the application. Thereby, a polymer electrolyte fuel cell stack having excellent power generation characteristics can be obtained,
preferable.
【0024】本発明の固体高分子型燃料電池セル及び固
体高分子型燃料電池スタックは、燃料として、純水素、
メタノール・天然ガス・ガソリン等の改質ガス、メタノ
ールやジメチルエーテル等、酸化剤として、酸素、空気
等が使用でき、これらを供給することで発電できる。こ
れらは、自動車、家庭用コージェネレーションシステ
ム、民生用携帯機器(携帯電話等)、非常用電源、レジ
ャーや工事用等の屋外電源として使用可能な固体高分子
型燃料電池として有用である。The polymer electrolyte fuel cell and the polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention use pure hydrogen,
Oxygen, air, and the like can be used as oxidizing agents, such as methanol, natural gas, gasoline, and other reformed gases, methanol, dimethyl ether, and the like. These are useful as polymer electrolyte fuel cells that can be used as automobiles, home cogeneration systems, consumer portable devices (such as mobile phones), emergency power supplies, and outdoor power supplies for leisure and construction.
【0025】[0025]
【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定さ
れるものではなく、その要旨を変更しない範囲において
適宜変更実施可能である。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples, and can be appropriately modified without departing from the scope of the invention.
【0026】尚、実施例に先立ち測定法等について説明
する。A measurement method and the like will be described prior to the embodiment.
【0027】(イオン交換容量)試験体を塩化ナトリウ
ム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3
時間反応させる。室温まで冷却した後、サンプルをイオ
ン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレイン溶液を
指示薬として、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で
滴定し、イオン交換容量を算出する。(Ion exchange capacity) A test specimen was immersed in a saturated aqueous solution of sodium chloride,
Let react for hours. After cooling to room temperature, the sample is sufficiently washed with ion-exchanged water, and titrated with a 0.01 N aqueous sodium hydroxide solution using a phenolphthalein solution as an indicator to calculate the ion exchange capacity.
【0028】(プロトン伝導度)イオン交換水中に保管
した試験体(10mm×40mm)を取り出し、試験体
表面の水をろ紙で拭き取る。電極間距離30mmで白金
電極間に試験体を装着し、2極非密閉系のテフロン(登
録商標)製のセルに設置した後、室温下で電圧0.2V
の条件で、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜
5MHz)により、試験体の膜抵抗を測定し、プロトン
伝導度を算出した。(Proton conductivity) A test specimen (10 mm × 40 mm) stored in ion-exchanged water is taken out, and water on the surface of the test specimen is wiped off with a filter paper. A test specimen was mounted between platinum electrodes at a distance between the electrodes of 30 mm, placed in a two-pole non-sealed Teflon (registered trademark) cell, and then subjected to a voltage of 0.2 V at room temperature.
Under the conditions of AC impedance method (frequency: 42 Hz to
5 MHz), the membrane resistance of the specimen was measured, and the proton conductivity was calculated.
【0029】(発電特性)ElectroChem社製
の固体高分子型燃料電池セル(電極面積:5cm 2)
に、別途調製した膜−電極接合体、ガスシールをそれぞ
れ設置し、Scribner製の燃料電池評価システム
を使用して、所定の条件での発電特性を計測した。(Power generation characteristics) ElectroChem
Solid polymer fuel cell (electrode area: 5 cm) Two)
The separately prepared membrane-electrode assembly and gas seal
And installed, Scribner fuel cell evaluation system
Was used to measure power generation characteristics under predetermined conditions.
【0030】(実施例1)固体高分子電解質膜として、
パーフルオロカーボンスルホン酸膜であるデュポン社製
ナフィオン115を使用した。イオン交換容量、プロト
ン伝導度を表1に示した。(Example 1) As a solid polymer electrolyte membrane,
Nafion 115 manufactured by DuPont, which is a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, was used. Table 1 shows the ion exchange capacity and proton conductivity.
【0031】ElectroChem社製ガス拡散電極
(厚み(d1):280μm、電極面積:5cm2、白金
担持量:1mg/cm2)に、ナフィオンの目付量が0.
6mg/cm2になるように、5重量%のナフィオン溶
液(アルドリッチ製試薬)を塗布し、70℃で1時間減
圧乾燥した。ナフィオン115の両側にガス拡散電極を
配置し、プレス温度:140℃、プレス圧力:5.9M
Pa、プレス時間:90秒の条件でホットプレスし、膜
−電極接合体を得た。The gas diffusion electrode (thickness (d 1 ): 280 μm, electrode area: 5 cm 2 , platinum carrying amount: 1 mg / cm 2 ) manufactured by ElectroChem, and the basis weight of Nafion was 0.
A 5% by weight Nafion solution (Aldrich reagent) was applied to a concentration of 6 mg / cm 2 and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 1 hour. Gas diffusion electrodes are arranged on both sides of Nafion 115, press temperature: 140 ° C., press pressure: 5.9 M
Hot pressing was performed under the conditions of Pa and a press time of 90 seconds to obtain a membrane-electrode assembly.
【0032】膜−電極接合体の周縁部に、厚さ(d2)
254μmのシリコンゴム製のガスシールを積層配置
し、固体高分子型燃料電池セルに設置した。以下に示す
条件でこの固体高分子型燃料電池セルの発電特性を評価
した。結果を図3に示した。 (発電特性評価条件) ・セル作動温度:60℃ ・燃料:純水素ガス、44.77mL/min ・酸化剤:酸素ガス、39.18mL/min ・加湿温度:60℃ ・背圧:0MPa。At the periphery of the membrane-electrode assembly, a thickness (d 2 )
A 254 μm silicon rubber gas seal was stacked and arranged, and installed in a polymer electrolyte fuel cell. The power generation characteristics of this polymer electrolyte fuel cell were evaluated under the following conditions. The results are shown in FIG. (Power generation characteristic evaluation conditions) Cell operating temperature: 60 ° C Fuel: pure hydrogen gas, 44.77 mL / min Oxidant: oxygen gas, 39.18 mL / min Humidifying temperature: 60 ° C Back pressure: 0 MPa.
【0033】(実施例2)厚さ(d2)127μmのガス
シールを使用した以外は、実施例1と同様にした。結果
を図3に示した。Example 2 The procedure was the same as in Example 1 except that a gas seal having a thickness (d 2 ) of 127 μm was used. The results are shown in FIG.
【0034】(実施例3)固体高分子電解質膜として、
以下の方法でスルホン化ポリフェニレンサルファイドを
調製した。ポリフェニレンサルファイドフィルムとし
て、東レ(株)製トレリナ(厚み:50μm)を使用し
た。ポリフェニレンサンサルファイドフィルム0.88
gを、クロロスルホン酸 1.90gとジクロロメタン
380gの混合溶液に室温で20時間浸漬させた。所
定時間経過後、イオン交換水で充分洗浄し、スルホン化
ポリフェニレンサルファイドを得た。このスルホン化ポ
リフェニレンサルファイドのイオン交換容量、プロトン
伝導度を表1に示した。Example 3 As a solid polymer electrolyte membrane,
A sulfonated polyphenylene sulfide was prepared by the following method. As the polyphenylene sulfide film, TORELINA (thickness: 50 μm) manufactured by Toray Industries, Inc. was used. Polyphenylene sun sulfide film 0.88
g was immersed in a mixed solution of 1.90 g of chlorosulfonic acid and 380 g of dichloromethane at room temperature for 20 hours. After a lapse of a predetermined time, the resultant was sufficiently washed with ion-exchanged water to obtain a sulfonated polyphenylene sulfide. Table 1 shows the ion exchange capacity and proton conductivity of this sulfonated polyphenylene sulfide.
【表1】 [Table 1]
【0035】固体高分子電解質として、このスルホン化
ポリフェニレンサルファイドを使用した以外は、実施例
1と同様にした。結果を図4に示した。Example 1 was repeated except that this sulfonated polyphenylene sulfide was used as a solid polymer electrolyte. The results are shown in FIG.
【0036】(実施例4)厚さ(d2)127μmのガス
シールを使用した以外は、実施例5と同様にした。結果
を図4に示した。Example 4 The procedure was the same as Example 5 except that a gas seal having a thickness (d 2 ) of 127 μm was used. The results are shown in FIG.
【0037】(実施例5)セル温度が80℃、水素、酸
素の加湿温度が80℃、水素、酸素の背圧が0.2MP
aとした以外は、実施例5と同様にした。結果を図5に
示した。(Example 5) The cell temperature was 80 ° C, the humidification temperature of hydrogen and oxygen was 80 ° C, and the back pressure of hydrogen and oxygen was 0.2MP.
Except having changed into a, it was the same as Example 5. The results are shown in FIG.
【0038】(実施例6)厚さ(d2)127μmのガス
シールを使用した以外は、実施例7と同様にした。結果
を図5に示した。Example 6 The procedure was the same as in Example 7 except that a gas seal having a thickness (d 2 ) of 127 μm was used. The results are shown in FIG.
【0039】(比較例1)厚さ(d2)300μmのガ
スシールを使用した以外は、実施例1と同様にした。結
果を図3に示した。Comparative Example 1 The procedure was the same as in Example 1 except that a gas seal having a thickness (d 2 ) of 300 μm was used. The results are shown in FIG.
【0040】(比較例2)厚さ(d2)300μmのガ
スシールを使用した以外は、実施例3と同様にした。結
果を図4に示した。Comparative Example 2 The procedure of Example 3 was repeated except that a gas seal having a thickness (d 2 ) of 300 μm was used. The results are shown in FIG.
【0041】(比較例3)厚さ(d2)300μmのガ
スシールを使用した以外は、実施例5と同様にした。結
果を図5に示した。図3の実施例1と比較例1の比較、
図4の実施例3と比較例2の比較、図5の実施例5と比
較例3の比較の比較より、電極の厚み(d1)よりもガ
スシールの厚み(d2)を薄くした本発明の固体高分子
型燃料電池セルは、電極の厚み(d1)よりもガスシー
ルの厚み(d2)が厚い比較例のものと比較し、優れた
発電特性を発現し、本発明の有効性が示された。Comparative Example 3 The procedure of Example 5 was repeated except that a gas seal having a thickness (d 2 ) of 300 μm was used. The results are shown in FIG. Comparison between Example 1 of FIG. 3 and Comparative Example 1,
A comparison between Example 3 and Comparative Example 2 in FIG. 4 and a comparison between Example 5 and Comparative Example 3 in FIG. 5 shows that the thickness of the gas seal (d 2 ) is smaller than that of the electrode (d 1 ). The polymer electrolyte fuel cell of the present invention exhibits superior power generation characteristics as compared with the comparative example in which the thickness of the gas seal (d 2 ) is larger than the thickness of the electrode (d 1 ), and the present invention is effective. Sex was shown.
【0042】また、図3の実施例1と2の比較、図4の
実施例3と4の比較、図5の実施例5と6の比較の比較
より、電極の厚み(d1)とガスシールの厚み(d2)
が、0.3×d1<d2<0.9×d1の関係式を満たす
ように構成した固体高分子型燃料電池セル(d2=0.
45×d1)は、更に優れた発電特性を発現し、本発明
の有効性が示された。The comparison between Examples 1 and 2 in FIG. 3, the comparison between Examples 3 and 4 in FIG. 4, and the comparison between Examples 5 and 6 in FIG. 5 shows that the electrode thickness (d 1 ) and gas Seal thickness (d 2 )
Is a polymer electrolyte fuel cell (d 2 = 0.10) configured to satisfy the relational expression of 0.3 × d 1 <d 2 <0.9 × d 1 .
45 × d 1 ) exhibited even more excellent power generation characteristics, indicating the effectiveness of the present invention.
【0043】[0043]
【発明の効果】本発明によれば、固体高分子電解質膜の
両側に電極を配置した膜−電極接合体と、電極周縁部の
膜上に積層配置されたガスシールを、セパレータで狭持
した固体高分子型燃料電池セルであって、セパレータ狭
持前のガスシールの厚みを電極の厚みよりも薄くし、セ
パレータと電極の密着性を改善したことを特徴とする固
体高分子型燃料電池セルは、従来のものと比較して、優
れた発電特性を発現する。According to the present invention, a membrane-electrode assembly having electrodes disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a gas seal laminated on a film on the periphery of an electrode are sandwiched by a separator. A polymer electrolyte fuel cell, wherein the thickness of the gas seal before sandwiching the separator is made smaller than the thickness of the electrode to improve the adhesion between the separator and the electrode. Exhibits excellent power generation characteristics as compared with conventional ones.
【図1】固体高分子型燃料電池の要部断面図(セパレー
タ狭持後)FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a polymer electrolyte fuel cell (after sandwiching a separator).
【図2】固体高分子型燃料電池の要部断面図(セパレー
タ狭持前)FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a polymer electrolyte fuel cell (before holding a separator).
【図3】固体高分子型燃料電池セルの電流密度とセル電
圧の関係(ナフィオン115、セル温度:60℃、背
圧:0MPa)FIG. 3 shows a relationship between current density and cell voltage of a polymer electrolyte fuel cell (Nafion 115, cell temperature: 60 ° C., back pressure: 0 MPa).
【図4】固体高分子型燃料電池セルの電流密度とセル電
圧の関係(スルホン化ポリフェニレンサルファイド、セ
ル温度:60℃、背圧:0MPa)FIG. 4 Relationship between current density and cell voltage of a polymer electrolyte fuel cell (sulfonated polyphenylene sulfide, cell temperature: 60 ° C., back pressure: 0 MPa)
【図5】固体高分子型燃料電池セルの電流密度とセル電
圧の関係(スルホン化ポリフェニレンサルファイド、セ
ル温度:80℃、背圧:0.2MPa)FIG. 5: Relationship between current density and cell voltage of a polymer electrolyte fuel cell (sulfonated polyphenylene sulfide, cell temperature: 80 ° C., back pressure: 0.2 MPa)
1:固体高分子電解質膜 2:電極触媒層(燃料極) 3:電極触媒層(酸化剤極) 4:ガス拡散電極 5:膜−電極接合体 6:ガスシール 7:燃料流路 8:酸化剤流路 9:セパレータ 10:固体高分子型燃料電池セル 1: Solid polymer electrolyte membrane 2: Electrode catalyst layer (fuel electrode) 3: Electrode catalyst layer (oxidant electrode) 4: Gas diffusion electrode 5: Membrane-electrode assembly 6: Gas seal 7: Fuel flow path 8: Oxidation Agent flow path 9: Separator 10: Polymer electrolyte fuel cell
Claims (6)
た膜−電極接合体と、電極周縁部の膜上に積層配置され
たガスシールを、セパレータで狭持した固体高分子型燃
料電池セルであって、セパレータで狭持する前のガスシ
ールの厚みが電極の厚みよりも薄いものであることを特
徴とする固体高分子型燃料電池セル。1. A polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane-electrode assembly having electrodes arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a gas seal laminated on the membrane at the periphery of the electrodes sandwiched by separators. A polymer electrolyte fuel cell, wherein the thickness of the gas seal before being held by the separator is smaller than the thickness of the electrode.
ルの厚み(d2)が、0.3×d1<d2<0.9×d1の
関係式を満たす請求項1記載の固体高分子型燃料電池セ
ル。Wherein the thickness of the electrodes (d 1), the gas seal of thickness (d 2) is, according to claim 1 satisfying 0.3 × d 1 <d 2 < 0.9 × d 1 of equation The polymer electrolyte fuel cell according to the above.
カーボンスルホン酸膜である請求項1又は2記載の固体
高分子型燃料電池セル。3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is a perfluorocarbon sulfonic acid membrane.
性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリイミド
である請求項1又は2記載の固体高分子型燃料電池セ
ル。4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is a polyimide containing a proton conductive substituent or a proton conductive substance.
性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリフェニ
レンサルファイドである請求項1又は2記載の固体高分
子型燃料電池セル。5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is a polyphenylene sulfide containing a proton conductive substituent or a proton conductive substance.
電池セルを複数枚積層した固体高分子型燃料電池スタッ
ク。6. A polymer electrolyte fuel cell stack in which a plurality of the polymer electrolyte fuel cells according to claim 1 are stacked.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001129299A JP2002324556A (en) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | Solid polymer fuel cell |
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