JP2005302526A - Solid polymer electrolyte membrane and membrane electrode assembly having solid polymer electrolyte membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質膜及び固体高分子電解質膜を有する膜電極接合体に係わり、特に、寸法安定性及び機械的強度に優れ、製造コストを低減させ、高い生産性を発揮することのできる固体高分子電解質膜及び固体高分子電解質膜を有する膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane and a membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane, and in particular, has excellent dimensional stability and mechanical strength, reduces manufacturing costs, and exhibits high productivity. The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane and a membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane.
従来より、各分野において種々のイオン交換膜からなる分離膜が利用されている。そして、近年活発に開発が進められている固体高分子型燃料電池にも、分離膜の一種であるイオン交換膜が固体高分子電解質膜として用いられている。この固体高分子型燃料電池は、出力密度が高く作動温度が低いために小型化が可能なことから、自動車等の移動体用や分散発電システム用、家庭用のコージェネレーションシステム用として広く普及することが期待されている。 Conventionally, separation membranes made of various ion exchange membranes have been used in various fields. An ion exchange membrane, which is a kind of separation membrane, is also used as a solid polymer electrolyte membrane in solid polymer fuel cells that have been actively developed in recent years. Since this polymer electrolyte fuel cell has a high output density and a low operating temperature, it can be miniaturized, so it is widely used for mobile objects such as automobiles, distributed power generation systems, and household cogeneration systems. It is expected that.
従来の燃料電池用の単体セルの断面図を図8に示す。
図8において、燃料電池用の単体セル1は、固体高分子電解質膜11を有している。この固体高分子電解質膜11は、その厚さが一般に20〜120μm程度となっており、化学的に安定なスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が用いられるようになっている。
また、固体高分子電解質膜11の両外面11aには、それぞれ金属触媒を含む触媒層27、28が接合されている。この触媒層27、28は、固体高分子電解質膜11の中心部分に形成されるようになっており、その周辺には触媒層27、28が接合されない部分が残されるようになっている。
A cross-sectional view of a conventional unit cell for a fuel cell is shown in FIG.
In FIG. 8, a
Further,
そして、これら固体高分子電解質膜11及び触媒層27、28により、膜触媒層接合体31が構成されるようになっており、膜触媒層接合体31の触媒層27、28側の両外面31aには、それぞれガス拡散層33、34が配設されるようになっている。このガス拡散層33、34は、固体高分子電解質膜11上に設けられた触媒層27、28をちょうど覆う大きさを有しており、カーボンペーパーやカーボンクロス等で形成されている。
The solid
そして、これら膜触媒層接合体31及びガス拡散層33、34により、膜電極接合体37が構成されるようになっており、この膜電極接合体37のガス拡散層33、34側の両外面37aには、セパレータ41、42との間にガス流路47、48が形成されるようになっている。このとき、セパレータ41、42は、固体高分子電解質膜11全面を覆う大きさを有しており、触媒層27、28と正対する部分には、それぞれ凹状の溝45、46が刻設されている。そして、この溝45、46が、セパレータ41、42及び膜電極接合体37が締め付けられたときに、ガス流路47、48を形成するようになっている。さらに、セパレータ41、42において、膜電極接合体37のうち触媒層27、28が接合されていない部分と正対する部分には、ガスケット53、54が配置されており、セパレータ41、42及び膜電極接合体37が締め付けられたときに、セパレータ41、42及び固体高分子電解質膜11間に介在され、ガス流路47、48を外部に対して密封するようになっている。
The membrane / catalyst layer assembly 31 and the
以上により、燃料電池の発電の最小単位となる単体セル1が構成されるようになっており、この単体セル1を燃料電池に用いる場合には、実用的な電圧を発生させるため、単体セル1が複数個積層されスタック化されて用いられるようになっている。
As described above, the
かかる構成において、単体セル1のアノード側には、水素が供給される。一方、そのカソード側には酸素又は空気が供給される。このとき、水素、酸素及び空気の供給はガス流路47、48を介して行われる。その結果、アノード側ではH2→2H++2e-の反応が起こる。一方、カソード側では1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応が起こる。このことにより、単体セル1を有する燃料電池において、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
In such a configuration, hydrogen is supplied to the anode side of the
しかしながら、このような固体高分子電解質膜11は含水率に依存して寸法変化する場合があった。また、固体高分子電解質膜11の機械的強度も十分ではなかった。そのため、固体高分子電解質膜11を補強する手法として、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという)多孔膜にスルホン酸基を有するフッ素系イオン交換ポリマーを含浸させた膜を使用することが提案されている(特許文献1参照)。また、フィブリル状、織布状又は不織布状のパーフルオロカーボン重合体で補強された陽イオン交換膜を使用することも提案されている(特許文献2参照)。しかしながら、このような補強を行った膜でも、ガス拡散層33、34の外縁部33a、34aの角部が、膜触媒層接合体31に当接されるため(この当接部分を部分31bとして図示する)、この角部からの応力集中により膜触媒層接合体31の破れを生じるおそれがあった。
However, such a solid
また、従来の単体セル1の作製に際し、ガスケット53、54を取り付ける場合には、図8に示すようにガスケット53、54をセパレータ41、42側に予め取り付けておくか、組立て時に固体高分子電解質膜11及びセパレータ41、42間に圧入するか、あるいは固体高分子電解質膜11側に予め取り付けておくかにより行われていた。しかしながら、上述したように固体高分子電解質膜11は含水率に依存してその寸法が変化するため、固体高分子電解質膜11にガスケット53、54を取り付けることが難しく、また、ガスケット53、54を取り付けてもガスケット53、54の位置ずれを起こし、ガス漏れ等を引き起こすおそれがあった。そのため、単体セル1の製造コストが増加して、量産時の生産性等に問題を生じるおそれがあった。
In addition, when the gaskets 53 and 54 are attached when the
そこで、このような固体高分子電解質膜11等の破れを防止し、かつガスケット53、54の取り付けを容易に行うために、イオン導電性を必要とされない膜電極接合体37の周辺領域に中心部を切り抜いた額縁状の補強膜を配置することが提案されている(特許文献3参照)。これにより、ガス拡散層33、34の角部が、この額縁状の補強膜と接触されるようになるため、固体高分子電解質膜11等の破れを防止することができ、また、この補強膜にガスケット53、54を取り付けることができるため、容易にガスケット53、54の取り付けを行えるようになっている。しかしながら、この場合、単体セル1の製造工程において、膜電極接合体37の周辺領域に額縁状の補強膜を配置する工程が増加するため、その製造コストが増加するおそれがあり、単体セル1の量産時の生産性等に問題を生じるおそれがあった。
Therefore, in order to prevent such breakage of the solid
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、寸法安定性及び機械的強度に優れ、製造コストを低減させ、高い生産性を発揮することのできる固体高分子電解質膜及び固体高分子電解質膜を有する膜電極接合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and is a solid polymer electrolyte membrane and a solid high electrolyte that are excellent in dimensional stability and mechanical strength, can reduce manufacturing costs, and can exhibit high productivity. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly having a molecular electrolyte membrane.
このため本発明は、固体高分子電解質膜に関し、複数の貫通孔が形成された多孔シートと前記貫通孔に充填されるイオン交換樹脂とからなる充填層を有し、前記多孔シートは、第1の領域と、前記貫通孔が形成されていない又は前記貫通孔による開口率が前記第1の領域における開口率よりも低くて、前記第1の領域の外周部に位置する第2の領域とを備え、少なくとも片面の前記第2の領域において、少なくとも前記第1の領域を囲うように弾性体が配置されていることを特徴とする。 For this reason, the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane, and has a filling layer composed of a porous sheet in which a plurality of through-holes are formed and an ion exchange resin filled in the through-holes. And a second region in which the through hole is not formed or the aperture ratio due to the through hole is lower than the aperture ratio in the first region and located in the outer peripheral portion of the first region. And an elastic body is arranged so as to surround at least the first region in the second region on at least one side.
固体高分子電解質膜は、複数の貫通孔が形成された多孔シートと、この貫通孔に充填されるイオン交換樹脂(例えば充填部)とからなる充填層を有する。そのため、固体高分子電解質膜は、多孔シートにより補強される。また、多孔シートの第2の領域では、貫通孔が形成されていないか、貫通孔による開口率が第1の領域における開口率よりも低い。このため、第2の領域における引裂き強度や引張強度が向上される。従って、固体高分子電解質膜の機械的強度や寸法安定性を向上させることができる。
なお、固体高分子電解質膜は、1枚の多孔シートで構成されても良いが、複数枚の多孔シートが積層されて構成されても良い。
The solid polymer electrolyte membrane has a filling layer composed of a porous sheet in which a plurality of through holes are formed and an ion exchange resin (for example, a filling portion) filled in the through holes. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane is reinforced by the porous sheet. Moreover, in the 2nd area | region of a perforated sheet, the through-hole is not formed or the opening rate by a through-hole is lower than the opening rate in a 1st area | region. For this reason, the tear strength and tensile strength in the second region are improved. Therefore, the mechanical strength and dimensional stability of the solid polymer electrolyte membrane can be improved.
The solid polymer electrolyte membrane may be composed of a single porous sheet, but may be composed of a plurality of laminated porous sheets.
さらに、固体高分子電解質膜の少なくとも片面の第2の領域において、少なくとも第1の領域を囲うように弾性体が配置されている。そのため、この弾性体により、外部に対しての密封を行うことができる。
また、この弾性体は、例えば塗布、型成形、射出成形等の方法を用いて形成され、固体高分子電解質膜に対して一体化される。そのため、弾性体の位置ずれが起こり難く、これに伴うガス漏れ等を防ぐことができる。従って、固体高分子電解質膜の製造コストを低減させることができ、量産時の生産性を向上させることができる。
Further, an elastic body is disposed so as to surround at least the first region in the second region on at least one side of the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, this elastic body can be sealed from the outside.
Moreover, this elastic body is formed using methods, such as application | coating, a shaping | molding, injection molding, etc., for example, and is integrated with respect to a solid polymer electrolyte membrane. Therefore, it is difficult for the elastic body to be displaced, and gas leakage and the like associated therewith can be prevented. Therefore, the manufacturing cost of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced, and the productivity during mass production can be improved.
さらに、弾性体は、塗布、型成形、射出成形等の方法を用いて形成することができるので、弾性体を容易に固体高分子電解質膜に取り付けることができる。そのため、従来のように固体高分子電解質膜の周辺領域に額縁状の補強膜等を配置する工程を行う必要がないため、この工程を省くことができ、固体高分子電解質膜の製造コストを低減させて、量産時の生産性を向上させることができる。 Furthermore, since the elastic body can be formed using a method such as coating, molding, injection molding, etc., the elastic body can be easily attached to the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, there is no need to perform a step of arranging a frame-like reinforcing membrane in the peripheral region of the solid polymer electrolyte membrane as in the prior art, so this step can be omitted and the manufacturing cost of the solid polymer electrolyte membrane is reduced. Thus, productivity at the time of mass production can be improved.
また、本発明は、固体高分子電解質膜に関し、前記充填層の少なくとも片面に、イオン交換樹脂のみからなる層が配置されたことを特徴とする。 The present invention also relates to a solid polymer electrolyte membrane, wherein a layer made of only an ion exchange resin is disposed on at least one surface of the packed layer.
このことにより、固体高分子電解質膜の導電性を向上させることができる。このとき、この層を構成するイオン交換樹脂は、充填層を構成するイオン交換樹脂と同種でも異種でも良い。そして、異種のイオン交換樹脂を用いる場合には、充填層を構成するイオン交換樹脂よりも例えばイオン交換容量が低くても強度の高いイオン交換樹脂を使用することで、層自体の強度を高めることができる。 This can improve the conductivity of the solid polymer electrolyte membrane. At this time, the ion exchange resin constituting this layer may be the same as or different from the ion exchange resin constituting the packed layer. When using different types of ion exchange resins, the strength of the layer itself can be increased by using, for example, an ion exchange resin having a higher strength than the ion exchange resin constituting the packed layer, even if the ion exchange capacity is low. Can do.
さらに、本発明は、固体高分子電解質膜に関し、前記第2の領域には、マニホールド穴が形成されていることを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane, wherein a manifold hole is formed in the second region.
マニホールド穴は、引裂き強度や引張強度が向上された第2の領域に形成されるので、このマニホールド穴により固体高分子電解質膜の強度が低下するのを防止することができる。 Since the manifold hole is formed in the second region where the tear strength and the tensile strength are improved, the manifold hole can prevent the strength of the solid polymer electrolyte membrane from being lowered.
さらに、本発明は、固体高分子電解質膜に関し、前記第1の領域における貫通孔は、1個あたりの平均面積が1×10-3〜20mm2であり、前記第1の領域は開口率が30〜80%であることを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane, wherein the through-holes in the first region have an average area of 1 × 10 −3 to 20 mm 2 , and the first region has an aperture ratio. 30 to 80%.
貫通孔の1個あたりの平均面積が小さすぎると、開口率を一定範囲に維持しようとすれば単位面積あたりの貫通孔の数が非常に多くなるために生産性が低くなったり、イオン交換樹脂の充填が困難になるおそれがある。一方、貫通孔の1個あたりの平均面積が大きすぎると、得られる固体高分子電解質膜を均一に補強することができず、結果としてその強度が不十分となるおそれがある。そのため、貫通孔の1個あたりの平均面積を1×10-3〜20mm2とすれば、固体高分子電解質膜に実用上均一で十分な強度を持たせることができ、さらに生産性も高く、十分なイオン伝導性を持たせることができる。 If the average area per through hole is too small, the number of through holes per unit area will be very large if the aperture ratio is kept within a certain range, resulting in low productivity or ion exchange resin. It may be difficult to fill with. On the other hand, if the average area per through hole is too large, the obtained solid polymer electrolyte membrane cannot be uniformly reinforced, and as a result, its strength may be insufficient. Therefore, if the average area per through hole is 1 × 10 −3 to 20 mm 2 , the solid polymer electrolyte membrane can be given practically uniform and sufficient strength, and the productivity is also high. Sufficient ionic conductivity can be provided.
また、開口率が低すぎるとイオン伝導性が妨げられるおそれがある。一方、開口率が高すぎると得られる固体高分子電解質膜を十分に補強することができず、その強度が不十分となるおそれがある。このため、開口率は30〜80%であることが好ましい。 Further, if the aperture ratio is too low, ion conductivity may be hindered. On the other hand, if the aperture ratio is too high, the obtained solid polymer electrolyte membrane cannot be sufficiently reinforced, and its strength may be insufficient. For this reason, it is preferable that an aperture ratio is 30 to 80%.
さらに、本発明は、固体高分子電解質膜に関し、前記第1の領域と前記第2の領域の境界に第3の領域を有し、該第3の領域では、前記第1の領域から前記第2の領域に至るに連れて前記貫通孔による開口率が徐々に低くなることを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane, and has a third region at the boundary between the first region and the second region, and in the third region, the first region and the second region The aperture ratio due to the through hole gradually decreases as the region 2 is reached.
このことにより、請求項1と同様に、固体高分子電解質膜の機械的強度や寸法安定性を向上させることができる。 As a result, like the first aspect, the mechanical strength and dimensional stability of the solid polymer electrolyte membrane can be improved.
さらに、本発明は、固体高分子電解質膜に関し、前記第3の領域では、前記第1の領域から前記第2の領域に至るに連れて前記貫通孔の1個あたりの平均面積が徐々に小さくなっているか、又は単位面積あたりの前記貫通孔の数が徐々に減少していることを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane. In the third region, an average area per one of the through holes gradually decreases from the first region to the second region. Or the number of the through holes per unit area is gradually reduced.
このことにより、請求項1と同様に、固体高分子電解質膜の機械的強度や寸法安定性を向上させることができる。 As a result, like the first aspect, the mechanical strength and dimensional stability of the solid polymer electrolyte membrane can be improved.
さらに、本発明は、固体高分子電解質膜を有する燃料電池用の膜電極接合体であって、該固体高分子電解質膜の両面に触媒を含む触媒層を備え、該触媒層は前記弾性体で囲んだ領域の内側に配置されていることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is a membrane electrode assembly for a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, comprising a catalyst layer containing a catalyst on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, wherein the catalyst layer is the elastic body. It is arranged inside the enclosed area.
このことにより、上述した固体高分子電解質膜を有する燃料電池用の膜電極接合体は、全体として、機械的強度や寸法安定性を向上させることができる。
従って、このような膜電極接合体を有する燃料電池は、膜電極接合体の機械的強度や寸法安定性が向上されているため、燃料電池の信頼性を向上させることができる。
Thereby, the membrane electrode assembly for a fuel cell having the above-described solid polymer electrolyte membrane can improve the mechanical strength and the dimensional stability as a whole.
Therefore, the fuel cell having such a membrane electrode assembly can improve the reliability of the fuel cell because the mechanical strength and dimensional stability of the membrane electrode assembly are improved.
さらに、本発明は、膜電極接合体に関し、前記触媒層の少なくとも一外面にガス拡散層を備え、該ガス拡散層の外縁部が前記固体高分子電解質膜における前記第1の領域よりも外周側に配置されたことを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a membrane electrode assembly, wherein a gas diffusion layer is provided on at least one outer surface of the catalyst layer, and an outer edge portion of the gas diffusion layer is on the outer peripheral side of the first region in the solid polymer electrolyte membrane. It is characterized by being arranged in.
ガス拡散層の外縁部が、第1の領域よりも外周側に配置されるので、ガス拡散層の角部は固体高分子電解質膜のうち引裂き強度や引張強度が向上された第2の領域等と当接されるようになる。そのため、ガス拡散層の角部からの応力集中に伴う固体高分子電解質膜等の破れを防止することができる。 Since the outer edge portion of the gas diffusion layer is arranged on the outer peripheral side of the first region, the corner portion of the gas diffusion layer is the second region where the tear strength and tensile strength are improved in the solid polymer electrolyte membrane, etc. Comes to abut. Therefore, it is possible to prevent the solid polymer electrolyte membrane and the like from being broken due to the stress concentration from the corners of the gas diffusion layer.
以上説明したように本発明によれば、固体高分子電解質膜は、貫通孔にイオン交換樹脂が充填された多孔シートを備え、この多孔シートに、貫通孔が形成されていない又は貫通孔による開口率が第1の領域における開口率よりも低くて、第1の領域の外周部に位置する第2の領域を設けたので、固体高分子電解質膜の機械的強度や寸法安定性を向上させることができる。
また、固体高分子電解質膜の少なくとも片面の第2の領域において、少なくとも第1の領域を囲うように弾性体を配置したので、弾性体の位置ずれが起こり難く、これに伴うガス漏れ等を防ぐことができる。そのため、製造コストを低減させることができ、量産時の生産性を向上させることができる。
As described above, according to the present invention, the solid polymer electrolyte membrane includes a porous sheet in which through holes are filled with an ion exchange resin, and the porous sheet has no through holes or is opened by the through holes. The ratio is lower than the aperture ratio in the first region, and the second region located at the outer periphery of the first region is provided, so that the mechanical strength and dimensional stability of the solid polymer electrolyte membrane are improved. Can do.
In addition, since the elastic body is disposed so as to surround at least the first region in the second region on at least one side of the solid polymer electrolyte membrane, the elastic body is hardly displaced, and gas leakage associated therewith is prevented. be able to. Therefore, manufacturing cost can be reduced and productivity in mass production can be improved.
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態である燃料電池用の単体セルの断面図を図1に示す。
図1において、燃料電池用の単体セル100は、固体高分子電解質膜111を有している。また、この固体高分子電解質膜111は、固体高分子電解質膜111自身を補強するための多孔シート113(図1には簡略のため省略されている)を1枚有している。なお、この固体高分子電解質膜111は、複数枚の多孔シート113を有していても良く、この場合には、これらが積層されて構成されるようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
A cross-sectional view of a unit cell for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
In FIG. 1, a
多孔シート113の平面図を図2に、この多孔シート113に後述する充填部114及び樹脂層125が形成された場合の図2中のA−A矢視線拡大断面図を図3に示す。
図2、図3において、多孔シート113は、多数個の微細孔(図示略)が形成された長方形状の多孔膜115を基材としている。この多孔膜115は、フィルム状であればその材料は特に限定されないが、化学的な安定性を有するものとして、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルアミド、ポリプロピレン又はポリエチレンからなることが好ましい。また、多孔膜115の化学的な安定性よりも機械的な強度を高めたい場合は、ステンレスやチタン等の金属箔を使用することも好ましい。特に、この多孔膜115には後述する貫通孔117が形成されるため、その加工を容易に行えるものとして、打ち抜きが容易な材料であるか、ドリル加工性が良好な材料であるか、レーザー加工による孔あけが可能な材料が好ましい。
FIG. 2 is a plan view of the
2 and 3, the
そして、この多孔膜115には、その主面115a間を厚さ方向と略平行に貫通する貫通孔117が多数個形成されており、多孔シート113を構成するようになっている。このとき、貫通孔117は、多孔膜115の中心部115bを含み、かつその外縁部115cを含まない領域(以下、中心領域121という)に集中的に形成されている。一方、この中心領域121よりも外縁部115c側の領域(以下、周辺領域122という)では、貫通孔117が全く形成されていない(すなわち、貫通孔117の開口率がゼロ)か、貫通孔117が形成されていてもその開口率が中心領域121よりも低くなっている。そして、この中心領域121と周辺領域122の境界の領域(以下、境界領域123という)では、中心領域121から周辺領域122に至るに連れて、貫通孔117による開口率が徐々に低くなるように貫通孔117が形成されている。例えば、図2では、境界領域123において、単位面積あたりの貫通孔117の数を保ったまま、貫通孔117の1個あたりの平均面積が小さくなるように貫通孔117が形成されている。
The
また、これに限られず、図4(境界領域123の拡大図)に示すように、境界領域123において、貫通孔117の1個あたりの平均面積を保ったまま、単位面積あたりの貫通孔117の数を減らすように貫通孔117が形成されても良いし、図示しないが貫通孔117の1個あたりの平均面積を小さくする方法と、単位面積あたりの貫通孔117の数を減らす方法とを組み合わせても良い(なお、これ以降図2の構成の多孔シート113を例に各説明を行うが、特記がない限り図4の構成等の多孔シート113でも同様である)。
なお、各図中に中心領域121と境界領域123との境界に境界線124A、境界領域123と周辺領域122との境界に境界線124Bを示してあるが、これは説明の簡単のために設けた仮想線であり、実在するものではない(これ以降においても同様である)。
In addition, as shown in FIG. 4 (enlarged view of the boundary region 123), the number of through
In each figure, a
そして、このような多孔シート113では、その中心領域121における貫通孔117の1個あたりの平均面積が1×10-3〜20mm2程度であることが好ましく、特に4×10-3〜4mm2程度であることが好ましい。例えば、貫通孔117の1個あたりの平均面積が小さすぎると、以下のように開口率を一定範囲に維持しようとすれば単位面積あたりの貫通孔117の数が非常に多くなるために生産性が低くなったり、イオン交換樹脂の充填が困難になるおそれがある。一方、貫通孔117の1個あたりの平均面積が大きすぎると、得られる固体高分子電解質膜111を均一に補強することができず、結果としてその強度が不十分となるおそれがある。そのため、貫通孔117の1個あたりの平均面積を1×10-3〜20mm2程度とすれば、固体高分子電解質膜111に実用上均一で十分な強度を持たせることができ、さらに生産性も高く、十分なイオン伝導性を持たせることができる。
And in such a
また、このような貫通孔117が形成された多孔シート113の中心領域121における開口率は30〜80%であることが好ましい。
そして、この多孔シート113を有する固体高分子電解質膜111を、燃料として水素又は水素を含む燃料ガスを使用する固体高分子型燃料電池に適用する場合には、その開口率は50〜75%であることが特に好ましい。例えば、開口率が低すぎると、イオン伝導性が妨げられるおそれがあるからである。一方、開口率が高すぎると、得られる固体高分子電解質膜111を十分に補強することができず、その強度が不十分となるおそれがあるからである。
Moreover, it is preferable that the aperture ratio in the center area |
When the solid
また、この多孔シート113を有する固体高分子電解質膜111を、燃料としてメタノール又はその水溶液を使用する直接メタノール型燃料電池に適用する場合には、その開口率は40〜75%であることが特に好ましい。例えば、開口率が低すぎると、イオン伝導性が妨げられるおそれがあるからである。一方、開口率が高すぎると得られる固体高分子電解質膜111を十分に補強することができず、その強度が不十分となるおそれがあり、さらにメタノールの透過量が多くなるおそれがあるからである。
In addition, when the solid
そして、このような貫通孔117の大きさや形状は全て均一とするようにしても良いが、2種以上の大きさや形状を有する孔が混在しても良い。また、貫通孔117の形状は、特に制限されないが、角があるとそれが切りかけとなり補強体としての強度が低下するおそれがあるため、円形あるいは角がない形状であることが好ましい。
In addition, the size and shape of the through
そして、貫通孔117の形成に際しては、多孔膜115を機械的に打ち抜く方法や、多孔膜115に対してレーザー光線を用いて貫通孔117を形成する方法等がある。例えば、多孔膜115を機械的に打ち抜く方法では、多孔膜115を数十枚から数千枚重ねて、これらに対し数百から数万の貫通孔117を一度に形成できる抜き型を用いることで、短時間で多数の貫通孔117を加工することが可能となる。また、ドリル加工も適しており、多孔膜115を数十枚から数千枚重ねて、これらに対し多軸NCドリル機を用いて孔あけすることにより、短時間で多数の貫通孔117を加工することができ、低コストで生産することができる。
In forming the through
そして、このような多孔シート113の厚さは、これを有する固体高分子電解質膜111を固体高分子型燃料電池に適用する場合には、3〜50μmであることが好ましく、特に5〜30μmであることが好ましい。例えば、多孔シート113が薄すぎると、得られる固体高分子電解質膜111を十分に補強できないおそれがあるからである。一方、多孔シート113が厚すぎると、得られる固体高分子電解質膜111も厚くなりすぎてしまい、イオン伝導抵抗が高くなり抵抗損失が大きくなって十分な性能が得られないおそれがあるからである。
The thickness of the
また、この多孔シート113を有する固体高分子電解質膜111を直接メタノール型燃料電池に適用する場合には、多孔シート113の厚さは20〜200μmであることが好ましく、特に30〜100μmであることが好ましい。例えば、多孔シート113が薄すぎると、メタノールによる固体高分子電解質膜111の膨潤の影響等を受けて、得られる固体高分子電解質膜111を十分に補強できないおそれがあるからである。一方、多孔シート113が厚すぎると、固体高分子電解質膜111も厚くなりすぎてしまい、イオン伝導抵抗が高くなり抵抗損失が大きくなって十分な性能が得られないおそれがあるからである。
Further, when the solid
そして、特に限定されるものではないが、得られる固体高分子電解質膜111を均一に補強できるようにするために、多孔シート113の膜厚は均一であることが望ましい。
And although it does not specifically limit, In order to be able to reinforce the obtained solid
さらに、この多孔シート113において、その周辺領域122にはマニホールド穴119、120が形成されている。このマニホールド穴119、120は、それぞれが略長方形状の断面を有する独立した3つの穴119a、119b、119c及び穴120a、120b、120cを有しており、それぞれの穴119a、119b、119c及び穴120a、120b、120cが、多孔シート113の両短辺と平行に並んで配置されている。そして、これらマニホールド穴119、120には、例えば固体高分子電解質膜111を用いて構成される後述する膜触媒層接合体131をそれぞれの間にガスケット150を配設して積層しスタックを構成する際、燃料、酸化剤、冷媒を流す流路となる。例えば、マニホールド穴120c、119cに燃料ガスが流れ、マニホールド穴120a、119aに酸化剤ガスが流れ、マニホールド穴120b、119bに冷媒が流れる。
Furthermore,
そして、このような多孔シート113の貫通孔117には、イオン交換樹脂が充填されるようになっており、これにより、多孔シート113に充填部114が形成されるようになっている。なお、この充填部114は、貫通孔117のみに形成される場合に限られず、多孔シート113の表層部にも薄く存在していても良い(図示略)。
ここで、充填部114を構成するイオン交換樹脂としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換樹脂が好ましいが、陽イオン交換樹脂であれば、炭化水素系重合体や部分フッ素化された炭化水素系重合体からなる陽イオン交換樹脂等も使用できる。また、イオン交換樹脂は単一でも2種以上のイオン交換樹脂を混合したものでも良い。なお、この充填部114は、多孔シート113により補強されるため、充填部114自体の強度はあまり高くなくても良い。そのため、充填部114を構成するイオン交換樹脂は、得られる固体高分子電解質膜111の導電性を高めるために、強度が高くなくてもイオン交換容量が高いイオン交換樹脂を使用することが好ましい。
And the through-
Here, as the ion exchange resin constituting the filling
そして、多孔シート113にイオン交換樹脂を充填する方法としては、特に限定されないが、例えばイオン交換樹脂が分散媒(溶媒)に分散(溶解)した液(以下、イオン交換樹脂含有液という)からキャスト法等により形成したキャスト膜を多孔シート113の両外面に熱圧着する方法や、イオン交換樹脂含有液を多孔シート113の一外面又は両外面に塗工する方法や、イオン交換樹脂含有液に多孔シート113を含浸させた後乾燥する方法等がある。
The method for filling the
さらに、このような多孔シート113は、充填部114が形成された状態のままでも良いが、固体高分子電解質膜111の導電性を向上させるために、さらに多孔シート113の少なくとも片面好ましくは両面にイオン交換樹脂のみからなる樹脂層125が形成されても良い(図3では多孔シート113の両外面に樹脂層125を形成したものを示す)。
Further, such a
そして、この場合、樹脂層125を構成するイオン交換樹脂は、充填部114を構成するイオン交換樹脂と同じ材料でも良いが、異なる材料でも良い。そして、異なる材料を用いる場合には、充填部114を構成するイオン交換樹脂よりも例えばイオン交換容量が低くても強度の高いイオン交換樹脂を使用することで、樹脂層125自体の強度を高めることができる。
In this case, the ion exchange resin constituting the
さらに、樹脂層125が形成される場合、この樹脂層125は、多孔シート113の中心領域121を全て覆うように中心領域121の面積より大きく、かつ外縁部115cを含まないように主面115aの面積よりも小さく形成されるようになっている。ただし、これに限られず、図5に示すように、多孔シート113の両外面にかつ主面115aの全領域を覆うように樹脂層125が形成されても良い(なお、これ以降図3のように樹脂層125が形成されたものを例に各説明を行うが、特記がない限り図5のように樹脂層125が形成されたものでも同様である)。
Further, when the
そして、この樹脂層125の形成に際しては、多孔シート113に充填部114を形成する際の塗工により形成しても良いし、別途樹脂層125を作製しておいてホットプレス等により多孔シート113上に接合しても良い。また、塗工により形成された樹脂層125と、別途作製した樹脂層125との両方で構成されても良い。さらに、多孔シート113上にイオン交換樹脂含有液を塗布して樹脂層125を形成しても良いし、また、別途キャスト法等により樹脂からなる層を作製しておき、この層を多孔シート113の両面に配置し、ホットプレスすることにより充填部114と樹脂層125を同時に形成しても良い。また、これらの方法を繰り返し行ったり、組み合わせて行ったりすることで、樹脂層125を形成しても良い。
In forming the
そして、以上のようにして充填部114や樹脂層125が形成された多孔シート113は、図1に示した固体高分子電解質膜111を構成するようになっている。なお、上述したように固体高分子電解質膜111が複数枚の多孔シート113を有する場合には、それぞれ異なるポリマーからなる多孔シート113を積層させても良い。また、この場合、隣接する多孔シート113間で、樹脂層125が形成されていない面同士が直接接触されるものがあっても良いし、樹脂層125同士が接触されるものがあっても良い。
And the
さらに、この固体高分子電解質膜111の両外面111aには、それぞれ触媒層127、128が接合され、膜触媒層接合体131が構成されるようになっている。この膜触媒層接合体の構成図を図6に示す。なお、図6(a)は膜触媒層接合体の平面図であり、図6(b)は図6(a)中のB−B矢視線拡大断面図である。
Furthermore, catalyst layers 127 and 128 are joined to both
図6において、固体高分子電解質膜111に接合される触媒層127、128は、固体高分子電解質膜111を構成する多孔シート113の中心領域121とちょうど重なるようにあるいはこの中心領域121を包含するように形成されている。なお、図6中、点線で示したのが各領域の境界線124A、124Bであり、図6では、触媒層127、128が中心領域121を包含するものとして、境界領域123と周辺領域122との境界線124Bまでの領域を包含するように示してある。ただし、この場合、中心領域121を包含するものであればこれに限られるものではなく、例えば境界線124Aまでの領域を包含するものであっても良い。
これに対し、固体高分子電解質膜111の周辺領域122には、触媒層127、128が接合されない部分が残されるようになっている。なお、触媒層127、128は、通常、白金又は白金合金がカーボンに担持された触媒を含み、さらにイオン交換樹脂を含むことが好ましい。ここでいうイオン交換樹脂は、多孔シート113に形成された充填部114あるいは樹脂層125を構成するイオン交換樹脂と同じ材料でも良いが、異なる材料でも良い。
In FIG. 6, the catalyst layers 127 and 128 joined to the solid
On the other hand, a portion where the catalyst layers 127 and 128 are not joined is left in the
さらに、この固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて、触媒層127、128が接合されていない部分には、この部分全面を覆うようにガスケット150(弾性体に相当する)が取り付けられている。ただし、このガスケット150のうち、固体高分子電解質膜111でマニホールド穴119、120が形成されている場合はその部分と重なる部分には、マニホールド穴151、152が開口されている。この結果、固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて、触媒層127、128が形成された部分の周囲、及びマニホールド穴119、120のそれぞれの穴119a、119b、119c及び穴120a、120b、120cが形成された部分の周囲には、ガスケット150が配設されることになる。
Further, a gasket 150 (corresponding to an elastic body) is attached to a portion where the catalyst layers 127 and 128 are not joined on both
このとき、ガスケット150を固体高分子電解質膜111に取り付ける方法としては、ディスペンサー等でシリコン系エラストマーやフッ素系エラストマー等からなるシール剤を上記の形状に合わせて塗工して硬化させて取り付けても良く、また、型を用いて膜触媒層接合体131の周囲にシール剤を射出成形させて取り付けても良い。そして、射出成形する場合に使用する樹脂は、フッ素系樹脂あるいはポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイドやこれらを含むアロイが好適であるが、他の樹脂でも良い。
At this time, as a method of attaching the
さらに、このようにして形成された膜触媒層接合体131の触媒層127、128側の両外面131aには、図1に示すように、それぞれガス拡散層133、134が配設されている。このガス拡散層133、134は、触媒層127、128をちょうど覆う大きさを有しており、触媒層127、128が中心領域121を包含するように形成された場合には、ガス拡散層133、134の外縁部133a、134aが中心領域121よりも外縁部側に(すなわち、中心領域121と境界領域123との境界線124Aよりも外縁部側に)配置されるようになっている。なお、ガス拡散層133、134は、通常、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質体からなっており、集電体としての機能や、膜触媒層接合体131に対して略均一にガスを供給できるようにガスを拡散する機能を有している。
Furthermore, as shown in FIG. 1, gas diffusion layers 133 and 134 are provided on both
そして、これら膜触媒層接合体131、ガスケット150及びガス拡散層133、134により、ガスケット付きの膜電極接合体137が構成されるようになっている。
The membrane /
さらに、このガスケット付きの膜電極接合体137のガス拡散層133、134側の両外面137aには、セパレータ141、142との間にガス流路147、148が形成されるようになっている。このとき、セパレータ141、142は、固体高分子電解質膜111全面を覆う大きさを有しており、その触媒層127、128と正対する部分には、それぞれ凹状の溝145、146が刻設されている。そして、この溝145、146が、セパレータ141、142及び膜電極接合体137が締め付けられたときに、ガス流路147、148を形成するようになっている。このとき、ガス流路147、148は、その端部等において固体高分子電解質膜111のマニホールド穴119、120等と連絡されるようになっている。
また、セパレータ141、142のうち触媒層127、128と正対しない部分には、上述した固体高分子電解質膜111に取り付けられたガスケット150が介在されるようになっており、ガス流路147、148等を外部に対して密封するようになっている。
Furthermore,
Further, the
以上により、燃料電池の発電の最小単位となる単体セル100が構成されるようになっている。そして、この単体セル100を燃料電池に用いる場合には、実用的な電圧を発生させるため、単体セル100が複数個積層されスタック化されて用いられるようになっている。
As described above, the
かかる構成において、単体セル100のアノード側には、水素が供給される。一方、そのカソード側には酸素又は空気が供給される。このとき、水素、酸素及び空気の供給は、固体高分子電解質膜111のマニホールド穴119、120及びガス流路147、148を介して行われる。その結果、アノード側ではH2→2H++2e-の反応が起こる。一方、カソード側では1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応が起こる。そのため、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。
In such a configuration, hydrogen is supplied to the anode side of the
このとき、固体高分子電解質膜111は、貫通孔117にイオン交換樹脂が充填された多孔シート113を有する。そのため、固体高分子電解質膜111は、多孔シート113により補強される。従って、固体高分子電解質膜111の機械的強度や寸法安定性を向上させることができる。
また、多孔シート113の周辺領域122では、中心領域121よりも貫通孔117の開口率が低くなっている。そのため、周辺領域122における引裂き強度や引張強度を向上させることができ、固体高分子電解質膜111の機械的強度を向上させることができる。また、マニホールド穴119、120が周辺領域122に形成されるので、このマニホールド穴119、120により固体高分子電解質膜111の強度が低下するのを防止することができる。
At this time, the solid
In addition, in the
さらに、本発明の単体セル100では、ガス拡散層133、134の外縁部133a、134aが中心領域121よりも外縁部側に配置される。そのため、ガス拡散層133、134の外縁部133a、134aの角部は、固体高分子電解質膜111のうち引裂き強度や引張強度が向上された周辺領域122等と当接されるようになる。従って、外縁部133a、134aの角部からの応力集中に伴う固体高分子電解質膜111等の破れを防止することができる。
Furthermore, in the
また、本発明の単体セル100では、固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて、触媒層127、128が接合されていない部分全面(ただし、マニホールド穴119、120が形成された部分を除く)にガスケット150が取り付けられることで、触媒層127、128が形成された部分の周囲、及びマニホールド穴119、120のそれぞれの穴119a、119b、119c及び穴120a、120b、120cが形成された部分の周囲に、ガスケット150が配設されるようになっている。そのため、このガスケット150により、ガス流路147、148及びマニホールド穴119、120の外部に対しての密封を行うことができる。
In the
さらに、このガスケット150は、塗布、型成形、射出成形等の方法を用いて形成され、固体高分子電解質膜111に対して一体化される。そのため、ガスケット150の位置ずれが起こり難く、これに伴うガス漏れ等を防ぐことができる。従って、単体セル100の製造コストを低減させることができ、量産時の生産性を向上させることができる。
また、ガスケット150は、塗布、型成形、射出成形等の方法を用いて形成することができるので、ガスケット150を容易に固体高分子電解質膜111に取り付けることができる。そのため、特許文献3のように膜電極接合体137の周辺領域に額縁状の補強膜等を配置する工程を行う必要がないため、この工程を省くことができ、単体セル100の製造コストを低減させて、量産時の生産性を向上させることができる。
Further, the
In addition, since the
さらに、本発明の単体セル100は、中心領域121及び周辺領域122で貫通孔117による開口率を異ならせているため、外縁部115c側で固体高分子電解質膜111としての機能を必要としない使い方をする場合には、周辺領域122に貫通孔117を形成しない分だけ、その作製コストを低減できる。また、この多孔シート113に樹脂層125を形成する場合にも、周辺領域122には樹脂層125が形成されない部分を有するため、その分だけ樹脂層125の使用量を減らすことができ、作製コストを低減できる。
Furthermore, since the
なお、本発明の単体セル100は、アノード側にメタノールが供給される直接メタノール型燃料電池でも、膜加湿器でも好適に使用可能である。
The
また、本発明においては、図6に示すようにガスケット150を、固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて触媒層127、128が接合されていない部分全面等に取り付けるとして説明してきたが、これに限られない。例えば、図7に示すように、ガスケット160をその一部分にのみ取り付けても良い。なお、図7(a)は膜触媒層接合体の平面図であり、図7(b)は図7(a)中のC−C矢視線拡大断面図である。
Further, in the present invention, as shown in FIG. 6, the
この場合、ガスケット160は、固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて触媒層127、128が形成された部分を囲むように形成された弾性体リング161と、マニホールド穴119、120の有する穴119a、119b、119c及び穴120a、120b、120cのそれぞれを囲うように形成された弾性体リング162、163、164、165、166、167とから構成され、これらが一体化されて構成されている。そして、このリング161、・・・、167は、断面が半楕円状になっており、その弦の部分が固体高分子電解質膜111に当接されている。また、リング161、・・・、167は、固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて略同位置に取り付けられるようになっている。
In this case, the
これにより、固体高分子電解質膜111の両外面111aにおいて触媒層127、128が接合されていない部分全面等にガスケット150を設けなくても、触媒層127、128が形成された部分の周囲、及びマニホールド穴119、120のそれぞれの穴119a、119b、119c及び穴120a、120b、120cが形成された部分の周囲には、ガスケット160が配置されるようになるので、前述したガスケット150と同様に、ガス流路147、148及びマニホールド穴119、120の外部に対しての密封を行うことができる。そのため、ガスケット160に必要な材料コストを低減することができる。
Accordingly, even if the
次に、本発明にどの程度の効果があるか、定量的に数値化して説明する。 Next, the effect of the present invention will be described by quantitatively quantifying.
(実施例1)
(膜の作製)
厚さ12μm、100mm角のポリフェニレンスルフィドフィルム(商品名:トレリナ3030−12、東レ社製)に、多軸ドリルによりφ500μmの貫通孔117(1個あたりの平均面積が約0.196mm2)を中心間距離が580μmになるように千鳥配列で約8700個開孔させ、開口率がおよそ68%で約5cm角の中心領域121を形成する。次に、その周辺部に同じく中心間距離が580μmの間隔で外周を囲むようにφ400μmの貫通孔117を1列分形成し、さらにその外側に同じく中心間距離が580μmの間隔で外周を囲むようにφ300μmの貫通孔117を1列分形成し、この部分を境界領域123とする。これにより、境界領域123のさらにその外側には貫通孔117を有しない周辺領域122がある約100mm角の多孔シート113を作製した。
(Example 1)
(Membrane preparation)
A polyphenylene sulfide film (trade name: Torelina 3030-12, manufactured by Toray Industries, Inc.) with a thickness of 12 μm and a 100 mm square, centered on a φ500 μm through-hole 117 (average area per piece is about 0.196 mm 2 ) by a multi-axis drill About 8700 holes are formed in a staggered arrangement so that the distance between them is 580 μm, and a
次に、シリコーン系離型剤で表面を処理した厚さ約100μmのポリエチレンテレフタレート製基材(以下、これと同様の基材をPET基材という)の上にCF2=CF2に基づく繰り返し単位とCF2=CF−OCF2CF(CF3)−OCF2CF2SO3Hに基づく繰り返し単位とからなるイオン交換樹脂の分散液(イオン交換容量:1.1ミリ当量/グラム乾燥樹脂、商品名:フレミオン、旭硝子社製、以下、分散液aという)をダイコート法で総厚みが15μmになるように塗工した後、80℃で乾燥させた。そして、これらを2枚製作し、分散液aが塗布された側をそれぞれ多孔シート113側に当てて挟み、150℃で20分間熱プレスし、多孔シート補強膜を得た(以下、この膜を膜A1という)。
Next, a repeating unit based on CF 2 = CF 2 on a polyethylene terephthalate base material (hereinafter referred to as a PET base material) having a thickness of about 100 μm whose surface has been treated with a silicone release agent. Of ion exchange resin consisting of repeating units based on CF 2 ═CF—OCF 2 CF (CF 3 ) —OCF 2 CF 2 SO 3 H (ion exchange capacity: 1.1 meq / g dry resin, commercial product Name: Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., hereinafter referred to as “dispersion a”) was applied by a die coating method so that the total thickness was 15 μm, and then dried at 80 ° C. Then, two of these were manufactured, the side on which the dispersion liquid a was applied was put on the
(電極の接合)
さらに、次のようにして、触媒層127、128を作製した。まず、分散液aと、白金をカーボン上に55質量%担持させた担持触媒とを、エタノールと水の混合分散媒(質量比で1:1)に分散させ、得られた固形分濃度14質量%の触媒分散液をシリコーン系離型剤で表面を処理した厚さ100μmのPETフィルム上にダイコート法で塗工し、80℃で乾燥して厚さ10μm、白金担持量が約0.4mg/cm2の触媒層127、128を形成した。次に、膜A1の両外面に、5cm角に切り抜いた触媒層127、128をそれぞれ配置し、転写法により触媒層127、128を膜A1に転写して、膜触媒層接合体131を作製した。この転写は、温度130℃で3MPaの圧力で行った。そして、この膜触媒層接合体131に対して25cm2の触媒層127、128がその中央部分に配置されるようにして、外形をトムソン型で打ち抜き、6cm×6cmの外形とした(以下、この膜触媒層接合体131を接合体B2という)。
(Electrode bonding)
Furthermore, catalyst layers 127 and 128 were produced as follows. First, the dispersion a and a supported catalyst in which 55% by mass of platinum was supported on carbon were dispersed in a mixed dispersion medium (1: 1 by mass) of ethanol and water, and the resulting solid content concentration was 14%. % Catalyst dispersion was coated on a 100 μm-thick PET film whose surface was treated with a silicone release agent by a die coating method, dried at 80 ° C. and 10 μm in thickness, and the platinum loading was about 0.4 mg / cm 2 catalyst layers 127 and 128 were formed. Next, catalyst layers 127 and 128 cut into 5 cm squares were respectively arranged on both outer surfaces of the membrane A1, and the catalyst layers 127 and 128 were transferred to the membrane A1 by a transfer method to produce a membrane
(ガスケットの取り付け)
そして、上記のようにして得られる接合体B2を金型内に接触させ、ポリプロプレン樹脂をシール剤として射出成形することにより、例えば図6に示したように、ガスケット150を、接合体B2において触媒層127、128が接合されていない部分全面等を覆うように形成できる。このとき、ガスケット150は、接合体B2のそれぞれの表面に、厚さが1.5mmとなるように形成する(以下、このガスケット付きの膜触媒層接合体131を接合体B3という)。
(Installation of gasket)
Then, the bonded body B2 obtained as described above is brought into contact with the mold, and injection molding is performed using a polypropylene resin as a sealant, so that, for example, as shown in FIG. The catalyst layers 127 and 128 can be formed so as to cover the entire surface where the catalyst layers 127 and 128 are not joined. At this time, the
(ガスリーク試験と電池試験)
次に、この接合体B3を、反応ガス供給用のガス流路147、148を備えた一対のセパレータ141、142間に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる厚さ約10μmの導電層が表面に形成された厚さ約300μmのカーボンクロスを基材とするガス拡散層133、134とともに集電板と端板で挟み込むことにより、電池性能測定用の有効電極面積が25cm2である燃料電池用の単体セル100が得られる。
(Gas leak test and battery test)
Next, the joined body B3 is placed between a pair of
そして、この単体セル100のアノード側に圧力30kPaの窒素ガスを供給した状態で、水中に入れて気泡発生の有無を5分観察することにより、ガスリークの有無が確認できる。次に、カソード側についても同様に試験を行うことにより、ガスリークの有無を確認できる。その結果、いずれからも気泡は観察されず、ガスリークが発生していないことが確認できる。
And in the state which supplied the nitrogen gas of pressure 30kPa to the anode side of this
さらに、セル温度を70℃とし、この電池のアノード側に水素ガス、カソード側に空気をそれぞれ供給する。この供給するガスは、水素ガスの利用率を70%、空気の利用率を40%とし、それぞれ70℃に設定されたバブラーを通して加湿してから燃料電池に供給する。電流密度とセル電圧の関係を表1に示す。 Further, the cell temperature is set to 70 ° C., and hydrogen gas is supplied to the anode side and air is supplied to the cathode side of the battery. The supplied gas has a hydrogen gas utilization rate of 70% and an air utilization rate of 40%. Each gas is humidified through a bubbler set at 70 ° C. and then supplied to the fuel cell. Table 1 shows the relationship between the current density and the cell voltage.
(実施例2)
(膜の作製)
厚さ12μm、100mm角のポリフェニレンスルフィドフィルム(商品名:トレリナ3030−12、東レ社製)の主面中心に、多軸ドリルによりφ500μmの貫通孔117(1個あたりの平均面積が約0.196mm2)を、中心間距離が580μmになるように千鳥配列で約8700個開孔させ、開口率がおよそ68%である約5cm角の中心領域121とその周辺部に周辺領域122を有した約100mm角の多孔シート113を作製した。周辺領域122は開口していない。
(Example 2)
(Membrane preparation)
At the center of the main surface of a polyphenylene sulfide film (trade name: Torelina 3030-12, manufactured by Toray Industries, Inc.) with a thickness of 12 μm and 100 mm square, through holes 117 (average area per piece is about 0.196 mm by a multi-axis drill) 2 ) about 8700 holes in a staggered arrangement so that the center-to-center distance is 580 μm, and an about 5 cm
そして、この多孔シート113を、シリコーン系離型剤で表面を処理した厚さ約100μmのPET基材上に配置し、この上に上述した分散液aをダイコート法で総厚みが22μmになるように塗工した後、80℃で乾燥させた。ここで得られた膜は、貫通孔117にイオン交換樹脂が充填された厚さ12μmの多孔シート113と、この多孔シート113の一外面に補強されていない厚さ10μmの樹脂層125が積層された膜となっている。
And this
次に、この膜からPET基材を剥離してその表裏を反転させ、基材と接していなかった面が基材と接するようにして、再度別途用意したPET基材の上に配置した。そして、この上に分散液aをダイコート法で総厚みが32μmになるように塗工した後、80℃で乾燥させた。その後、得られた膜を120℃で30分の熱処理をし、PET基材を剥離して膜を得た(以下、この膜を膜C1という)。膜C1は、貫通孔117にイオン交換樹脂が充填された厚さ12μmの多孔シート113と、この多孔シート113の両外面に補強されていない厚さ10μmの樹脂層125が積層された構成を有している。
Next, the PET base material was peeled from the film, the front and back sides were reversed, and the surface that was not in contact with the base material was in contact with the base material, and was again placed on a separately prepared PET base material. Then, the dispersion liquid a was coated thereon by a die coating method so that the total thickness became 32 μm, and then dried at 80 ° C. Thereafter, the obtained film was heat-treated at 120 ° C. for 30 minutes, and the PET substrate was peeled off to obtain a film (hereinafter, this film is referred to as “film C1”). The membrane C1 has a configuration in which a
(電極の接合、ガスケットの取り付け)
そして、この膜C1に対して、実施例1と同様に白金担持量が約0.4mg/cm2である触媒層127、128を形成し、これを転写法により膜C1に転写して、膜触媒層接合体131を作製し、6cm×6cmの外形とした(以下、この膜触媒層接合体131を接合体D2という)。接合体D2は中心部に5cm角の中心領域121を有している。
(Electrode bonding, gasket mounting)
Then, the catalyst layers 127 and 128 having a platinum loading of about 0.4 mg / cm 2 are formed on the membrane C1 in the same manner as in Example 1, and this is transferred to the membrane C1 by a transfer method. A
さらに、この接合体D2に対して、実施例1と同様の手法を施すと、ガスケット付きの膜触媒層接合体131が得られる(以下、この膜触媒層接合体131を接合体D3という)。
Further, when the same method as in Example 1 is applied to the joined body D2, a membrane-catalyst layer joined
(ガスリーク試験と電池試験)
そして、この接合体D3を用いた単体セル100に対して、実施例1と同様の手法により、ガスリークの有無を確認すると、アノード側及びカソード側のいずれからも気泡は観察されず、ガスリークが発生していないことが確認できる。
さらに、実施例1と同様に電池試験を行うと、表1に示すような電流密度とセル電圧の関係が得られる。
(Gas leak test and battery test)
When the presence or absence of gas leak is confirmed with respect to the
Furthermore, when the battery test is performed in the same manner as in Example 1, the relationship between the current density and the cell voltage as shown in Table 1 is obtained.
(実施例3)
(膜の作製)
厚さ50μm、100mm角のポリフェニレンスルフィドフィルム(商品名:トレリナ3030−12、東レ社製)に、多軸ドリルによりφ300μmの貫通孔117(1個あたりの平均面積が約0.071mm2)を、中心間距離が405μmになるように千鳥配列で約6525個開孔させた約25mm角の多孔シート113を作製した。この多孔シート113の開口率は50%である。
次に、この多孔シート113を用いた以外は、実施例1における膜A1の作製法と同様にして、多孔シート補強膜を得た(以下、この膜を膜E1という)。
(Example 3)
(Membrane preparation)
On a polyphenylene sulfide film (trade name: Torelina 3030-12, manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 50 μm and a 100 mm square, through holes 117 (average area per piece is about 0.071 mm 2 ) of φ300 μm by a multi-axis drill, A
Next, a porous sheet reinforcing membrane was obtained in the same manner as in the production method of the membrane A1 in Example 1 except that this
(電極の接合、ガスケットの取り付け)
さらに、次のようにして、触媒層127、128を作製した。まず、分散液aと、白金をカーボン上に55質量%担持させた担持触媒とを、エタノールと水の混合分散媒(質量比で1:1)に分散させ、得られた固形分濃度14質量%の触媒分散液をシリコーン系離型剤で表面を処理した厚さ100μmのPETフィルム上にダイコート法で塗工し、80℃で乾燥して厚さ20μm、白金担持量が約1mg/cm2の触媒層127を形成した。次に、分散液aと、白金とルテニウムの合金をカーボン上に50質量%担持させた担持触媒とを、エタノールと水の混合分散媒(質量比で1:1)に分散させ、得られた固形分濃度14質量%の触媒分散液をシリコーン系離型剤で表面を処理した厚さ100μmのPETフィルム上にダイコート法で塗工し、80℃で乾燥して厚さ20μm、白金担持量が約1mg/cm2の触媒層128を形成した。そして、膜E1の両外面に、5cm角に切り抜いた上記2種類の触媒層127、128を1種類ずつ配置し、転写法により触媒層127、128を膜E1に転写して、膜触媒層接合体131を作製した。この転写は、温度130℃で3MPaの圧力で行った。そして、この膜触媒層接合体131に対して、25cm2の触媒層127、128のそれぞれが両外面131aの中央部に配置されるようにして、外形をトムソン型で打ち抜き、110mm×90mmの外形とした(以下、この膜触媒層接合体131を接合体F2という)。
(Electrode bonding, gasket mounting)
Furthermore, catalyst layers 127 and 128 were produced as follows. First, the dispersion a and a supported catalyst in which 55% by mass of platinum was supported on carbon were dispersed in a mixed dispersion medium (1: 1 by mass) of ethanol and water, and the resulting solid content concentration was 14%. % Catalyst dispersion was coated on a 100 μm-thick PET film whose surface was treated with a silicone release agent by a die coating method, dried at 80 ° C., 20 μm thick, and a platinum loading of about 1 mg / cm 2. Catalyst layer 127 was formed. Next, the dispersion liquid a and a supported catalyst in which an alloy of platinum and ruthenium was supported by 50 mass% on carbon were dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio of 1: 1) of ethanol and water to obtain. A catalyst dispersion having a solid content of 14% by mass is coated on a 100 μm-thick PET film whose surface is treated with a silicone-based mold release agent by a die coating method, dried at 80 ° C. and 20 μm in thickness, with a platinum carrying amount. About 1 mg / cm 2 of the
さらに、この接合体F2に対して、次のようにして、ガスケット150を取り付けられる。まず、接合体F2をアルミニウム製の吸引台の上に吸引して設置し、X−Yロボット(武蔵エンジニアリング製)とディスペンサーを用いて、シール剤(スリーボンド社製シール剤 TB1153)を、図6に示したように、接合体F2において触媒層127、128が接合されていない部分全面等を覆うように、この接合体F2の一外面に塗布する。さらに、塗布後100℃で30分間電気炉中でシール剤を硬化させることによりガスケット150を取り付ける。また、接合体F2の反対面についても、同様にシール剤を塗布し、電気炉で乾燥させることによりガスケット150を取り付ける(以下、このガスケット付きの膜触媒層接合体131を接合体F3という)。
Further, the
(ガスリーク試験と電池試験)
そして、この接合体F3を用いた単体セル100に対して、実施例1と同様の手法により、ガスリークの有無を確認すると、アノード側及びカソード側のいずれからも気泡は観察されず、ガスリークが発生していないことが確認される。
さらに、セル温度を80℃とし、この電池のアノード側に10wt%のメタノール水溶液を毎分15cc供給し、カソード側には空気の利用率を30%として供給すると、表1に示すような電流密度とセル電圧の関係が得られる。
(Gas leak test and battery test)
When the presence or absence of gas leak is confirmed for the
Further, when the cell temperature is set to 80 ° C., 15 cc of a 10 wt% methanol aqueous solution is supplied to the anode side of the battery per minute and the air utilization rate is supplied to 30% of the cathode side, the current density as shown in Table 1 is obtained. And the cell voltage relationship.
(実施例4)
実施例1と同様の方法で接合体B3を6枚作製し、それぞれ反応ガス供給用のガス流路147、148を備える1対のセパレータ141、142間にガス拡散層133、134とともに挟むものを6組用意し、これらの間に冷却水供給用の流路を備える冷却板を一枚ずつ合計5枚挟み、さらにその外側に集電板を配置してその外側を端板で締付けて、電極面積25cm2の6セルスタックを完成させる。この6セルスタックについて実施例1の単体セル100と同様にガスリーク試験を行うと、いずれからも気泡は観察されず、ガスリークが発生していないことが確認される。
Example 4
Six joined bodies B3 are produced in the same manner as in Example 1, and sandwiched together with gas diffusion layers 133 and 134 between a pair of
また、この6セルスタックに70℃の温水を冷却板へ端板から循環させ、アノード側に水素ガスを利用率70%で、カソード側に空気を利用率40%でそれぞれ供給すると、表1に示すような結果が得られる。 Further, when 70 ° C. hot water is circulated from the end plate to the cooling plate in this 6-cell stack, hydrogen gas is supplied to the anode side at a utilization rate of 70%, and air is supplied to the cathode side at a utilization rate of 40%. The result as shown is obtained.
(比較例1)
CF2=CF2に基づく繰り返し単位とCF2=CF−OCF2CF(CF3)−OCF2CF2SO3Hに基づく繰り返し単位とからなる厚さ30μmのイオン交換膜(イオン交換容量:1.1ミリ当量/グラム乾燥樹脂、商品名:フレミオンSH−30、旭硝子社製)を膜として用いた(以下、この膜を膜G1という)。
(Comparative Example 1)
CF 2 = repeating unit CF 2 = CF-OCF 2 CF (CF 3) based on CF 2 -OCF 2 CF 2 SO 3 ion exchange membrane having a thickness of 30μm consisting of repeating units based on H (ion exchange capacity: 1 .1 milliequivalent / gram dry resin, trade name: Flemion SH-30, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used as the membrane (hereinafter this membrane is referred to as membrane G1).
(電極の接合)
そして、この膜G1に対して、実施例1と同様に白金担持量が約0.4mg/cm2である触媒層127、128を形成し、これを転写法により膜G1に転写して、膜触媒層接合体131を作製した。そして、この膜触媒層接合体131の外形を110mm×90mmの長方形とした(以下、この膜触媒層接合体131を接合体H2という)。なお、この接合体H2には、膜周辺にしわが多く発生していた。
(Electrode bonding)
Then, the catalyst layers 127 and 128 having a platinum loading of about 0.4 mg / cm 2 are formed on the film G1 in the same manner as in Example 1, and this is transferred to the film G1 by a transfer method. A
(ガスリーク試験と電池試験)
次に、この接合体H2を、反応ガス供給用のガス流路147、148を備えた一対のセパレータ141、142間に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる厚さ約10μmの導電層が表面に形成された厚さ約300μmのカーボンクロスを基材とするガス拡散層133、134と、ガスケットとを配置して、これらを集電板と端板で挟み込み、電池性能測定用の有効電極面積が25cm2である燃料電池用の単体セル100を完成させた。
そして、接合体H2を用いた単体セル100に対して、実施例1と同様の手法により、ガスリークの有無を確認した。この場合、アノード側及びカソード側のいずれからも10分間の間に5〜10個の気泡が観察され、ガスリークがあることが確認された。
さらに、セル温度を70℃とし、この電池のアノード側に水素ガス、カソード側に空気をそれぞれ供給した。この供給するガスは、水素ガスの利用率を70%、空気の利用率を40%とし、それぞれ70℃に設定されたバブラーを通して加湿してから燃料電池に供給した。電流密度とセル電圧の関係を表1に示す。
(Gas leak test and battery test)
Next, the joined body H2 is placed between a pair of
And the presence or absence of the gas leak was confirmed with the method similar to Example 1 with respect to the
Further, the cell temperature was set to 70 ° C., and hydrogen gas was supplied to the anode side and air was supplied to the cathode side of the battery. The supplied gas was supplied to the fuel cell after humidifying it through a bubbler set at 70 ° C. with a hydrogen gas utilization rate of 70% and an air utilization rate of 40%. Table 1 shows the relationship between the current density and the cell voltage.
(比較例2)
CF2=CF2に基づく繰り返し単位とCF2=CF−OCF2CF(CF3)−OCF2CF2SO3Hに基づく繰り返し単位とからなる厚さ50μmのイオン交換膜(イオン交換容量:1.1ミリ当量/グラム乾燥樹脂、商品名:フレミオンSH−50、旭硝子社製)を膜として用いた(以下、この膜を膜I1という)。
(Comparative Example 2)
CF 2 = repeating unit CF 2 = CF-OCF 2 CF (CF 3) based on CF 2 -OCF 2 CF 2 SO 3 ion exchange membrane having a thickness of 50μm consisting of repeating units based on H (ion exchange capacity: 1 .1 milliequivalent / gram dry resin, trade name: Flemion SH-50, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used as the membrane (hereinafter this membrane is referred to as membrane I1).
(電極の接合)
そして、この膜I1に対して、実施例3と同様に転写法により触媒層127、128を転写して膜触媒層接合体131を作製した。そして、この膜触媒層接合体131の外形を110mm×90mmの長方形とした(以下、この膜触媒層接合体131を接合体J2という)。なお、この接合体J2には、膜周辺にしわが多く発生していた。
(Electrode bonding)
Then, the catalyst layers 127 and 128 were transferred to the membrane I1 by the transfer method in the same manner as in Example 3 to produce a membrane
(ガスリーク試験と電池試験)
次に、この接合体J2を、反応ガス供給用のガス流路147、148を備えた一対のセパレータ141、142間に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる厚さ約10μmの導電層が表面に形成された厚さ約300μmのカーボンクロスを基材とするガス拡散層133、134と、ガスケットを配置して、これらを集電板と端板で挟み込み、電池性能測定用の有効電極面積が25cm2である燃料電池用の単体セル100を完成させた。
そして、接合体J2を用いた単体セル100に対して、実施例1と同様の手法により、ガスリークの有無を確認した。この場合も、アノード側及びカソード側のいずれからも10分間の間に5〜10個の気泡が観察され、ガスリークがあることが確認された。
さらに、セル温度を80℃とし、この電池のアノード側に10wt%のメタノール水溶液を毎分15cc供給し、カソード側には空気の利用率を30%として供給した。電流密度とセル電圧の関係を表1に示す。
(Gas leak test and battery test)
Next, the joined body J2 is formed between a pair of
And the presence or absence of the gas leak was confirmed with the method similar to Example 1 with respect to the
Further, the cell temperature was set to 80 ° C., 15 cc of a 10 wt% aqueous methanol solution was supplied to the anode side of the battery, and the air utilization rate was supplied to the cathode side at 30%. Table 1 shows the relationship between the current density and the cell voltage.
(比較例3)
比較例1と同様の方法で接合体H2を6枚作製し、接合体B3の代わりに接合体H2を用いる以外は実施例4と同様にして、電極面積25cm2の6セルスタックを得る。この6セルスタックについて実施例1の単体セル100と同様にガスリーク試験を行うと、アノード側およびカソード側のいずれからも10分間の間にそれぞれのセルから5〜20個の気泡が観察され、ガスリークが多く発生していることが確認される。
また、この6セルスタックについて実施例4と同様にガスを供給して評価すると、表1に示すような結果が得られる。
(Comparative Example 3)
Six bonded bodies H2 are produced in the same manner as in Comparative Example 1, and a 6-cell stack with an electrode area of 25 cm 2 is obtained in the same manner as in Example 4 except that the bonded body H2 is used instead of the bonded body B3. When this 6-cell stack was subjected to a gas leak test in the same manner as the
Further, when this 6-cell stack is evaluated by supplying gas in the same manner as in Example 4, the results shown in Table 1 are obtained.
表1において、実施例1〜4と比較例1〜3のセル電圧の測定結果から、本発明のように貫通孔117を形成することで、本発明の単体セル100が高い性能を有していることが分かる。
また、上述したように、実施例1〜4と比較例1〜3のガスリーク試験の結果から、固体高分子電解質膜111が、貫通孔117にイオン交換樹脂が充填された多孔シート113を有することで、その機械的な強度が増し、しわの発生を防止していることが分かる。
以上のように、本発明の固体高分子電解質膜111は、機械的強度及び寸法安定性を向上させることができる。また、これを有する燃料電池は、高い性能を発揮することができる。
In Table 1, from the measurement results of the cell voltages of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, the
Further, as described above, from the results of the gas leak tests of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, the solid
As described above, the solid
1、100 単体セル
11、111 固体高分子電解質膜
27、28、127、128 触媒層
31、131 膜触媒層接合体
33、34、133、134 ガス拡散層
37、137 膜電極接合体
41、42、141、142 セパレータ
47、48、147、148 ガス流路
53、54、150、160 ガスケット
113 多孔シート
114 充填部
115 多孔膜
117 貫通孔
119、120、151、152 マニホールド穴
121 中心領域
122 周辺領域
123 境界領域
125 樹脂層
1,100 Single cell
11, 111 Solid polymer electrolyte membrane
27, 28, 127, 128 Catalyst layer
31, 131 Membrane / catalyst layer assembly
33, 34, 133, 134 Gas diffusion layer
37, 137 Membrane electrode assembly
41, 42, 141, 142 Separator
47, 48, 147, 148 Gas flow path
53, 54, 150, 160 Gasket
113 perforated sheet
114 Filling part
115 porous membrane
117 Through-hole
119, 120, 151, 152 Manifold hole
121 Central area
122 Surrounding area
123 Boundary area
125 resin layer
Claims (8)
該ガス拡散層の外縁部が前記固体高分子電解質膜における前記第1の領域よりも外周側に配置された請求項6又は請求項7記載の膜電極接合体。 A gas diffusion layer is provided on at least one outer surface of the catalyst layer,
The membrane electrode assembly according to claim 6 or 7, wherein an outer edge portion of the gas diffusion layer is disposed on the outer peripheral side of the first region in the solid polymer electrolyte membrane.
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