JP2006324147A - Fuel cell and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a manufacturing method thereof.
燃料電池システムは、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた電極用の触媒層と、を有する燃料電池を備えており、この燃料電池の一方の触媒層(アノード側電極)にアノードガスを、他方の触媒層(カソード側電極)にカソードガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。 The fuel cell system includes a fuel cell having an electrolyte membrane and electrode catalyst layers provided on both sides of the electrolyte membrane, and an anode gas is provided on one catalyst layer (anode side electrode) of the fuel cell. The cathode gas is supplied to the other catalyst layer (cathode side electrode) to cause an electrochemical reaction to generate electricity.
燃料電池システムの運転時には、燃料電池における電気化学反応に起因して水分が生成される。このように生成された水分(以下「生成水」という)には、過酸化水素等の劣化要因物質が含まれているため、生成水が燃料電池の電解質膜の触媒層形成領域から触媒層非形成領域(周縁部)に向けて移動して触媒層の端部近傍に溜まると、触媒層の端部が劣化するおそれがある。近年においては、かかる問題を解決する可能性のある技術として、電解質膜の周縁部にシリコンゴムやフッ素ゴムで構成したシール材を設ける技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、前記特許文献1に記載の技術で採用されているシール材の圧縮率は、触媒層の圧縮率と異なるため、燃料電池製作の際にこれらシール材及び触媒層に共通の圧縮力を作用させて締結すると触媒層の端部近傍に間隙が生じ、かかる間隙に生成水が溜まるおそれがある。従って、前記特許文献1に記載の技術を採用しても、触媒層の端部の劣化を防ぐには不充分であった。 However, since the compression rate of the sealing material employed in the technique described in Patent Document 1 is different from the compression rate of the catalyst layer, a common compressive force is applied to the sealing material and the catalyst layer when the fuel cell is manufactured. When fastened, a gap is formed in the vicinity of the end of the catalyst layer, and the generated water may accumulate in the gap. Therefore, even if the technique described in Patent Document 1 is adopted, it is insufficient to prevent deterioration of the end portion of the catalyst layer.
本発明は、燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を防止することを目的とする。 An object of the present invention is to prevent deterioration of an end portion of a catalyst layer provided on an electrolyte membrane of a fuel cell.
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた電極用の触媒層と、を備える燃料電池であって、電解質膜の触媒層が設けられていない領域の少なくとも一部に設けられた非触媒層を備え、非触媒層は、触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有するものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention is a fuel cell comprising an electrolyte membrane and a catalyst layer for an electrode provided on both surfaces of the electrolyte membrane, wherein the catalyst layer of the electrolyte membrane is provided. A non-catalytic layer is provided in at least a part of the region that is not provided, and the non-catalytic layer has a compression rate substantially the same as that of the catalyst layer.
かかる構成によれば、電解質膜の触媒層非形成領域の少なくとも一部に、触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する非触媒層が設けられているので、これら触媒層及び非触媒層に共通の圧縮力を作用させた場合に、触媒層の端部近傍に間隙が生じるのを阻止することができる。従って、劣化要因物質を含む生成水が触媒層の端部近傍に溜まることを阻止することができるので、触媒層の端部の劣化を効果的に防止することができ、触媒層の耐久性を向上させることができる。 According to such a configuration, since the non-catalyst layer having a compression rate substantially the same as the compression rate of the catalyst layer is provided in at least a part of the catalyst layer non-formation region of the electrolyte membrane, these catalyst layer and non-catalyst layer When a common compressive force is applied to the catalyst layer, it is possible to prevent a gap from being generated near the end of the catalyst layer. Therefore, it is possible to prevent the produced water containing the deterioration factor substance from being collected near the end of the catalyst layer, so that deterioration of the end of the catalyst layer can be effectively prevented, and the durability of the catalyst layer can be improved. Can be improved.
なお、本発明において「圧縮率」とは、触媒層及び非触媒層に作用する圧縮力の変化と、かかる圧縮力変化に対応する触媒層及び非触媒層の圧縮力作用方向における寸法の変化と、の比を意味し、「触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する」とは、触媒層と同一の圧縮力を作用させた場合に略同一寸法だけ圧縮力作用方向に収縮することを意味する。 In the present invention, the “compression ratio” means a change in compressive force acting on the catalyst layer and the non-catalyst layer, and a change in dimension in the direction of the compressive force action of the catalyst layer and the non-catalyst layer corresponding to the change in the compressive force. The term “having approximately the same compressibility as the compressibility of the catalyst layer” means that when the same compressive force as that of the catalyst layer is applied, the contraction in the compressive force acting direction is approximately the same dimension. Means.
前記燃料電池において、非触媒層は、圧縮力が作用していない状態で触媒層と略同一の厚さを有することが好ましく、さらに、触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料で構成されることが好ましい。また、電解質膜の触媒層が設けられていない領域に液滴吐出法により非触媒層用の溶液を塗布して固化させることにより非触媒層を形成することもできる。また、非触媒層は、撥水性材料又は不透水性材料を含むことが好ましい。 In the fuel cell, the non-catalyst layer preferably has substantially the same thickness as the catalyst layer in a state in which no compressive force is applied, and is further composed of a material excluding the catalyst among the materials constituting the catalyst layer. It is preferred that In addition, the non-catalyst layer can be formed by applying a solution for the non-catalyst layer to the region where the catalyst layer of the electrolyte membrane is not provided by a droplet discharge method and solidifying the solution. Moreover, it is preferable that a non-catalyst layer contains a water-repellent material or a water-impermeable material.
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の両面に設けられた触媒層と、電解質膜の触媒層が形成されていない領域の少なくとも一部に設けられ触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する非触媒層と、を備える燃料電池の製造方法であって、触媒層を構成する材料を電解質膜に塗布し乾燥させることにより触媒層を形成する工程と、触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料を電解質膜の触媒層非形成領域に塗布し乾燥させることにより非触媒層を形成する工程と、を含むものである。 Further, the fuel cell manufacturing method according to the present invention includes an electrolyte membrane, a catalyst layer provided on both surfaces of the electrolyte membrane, and a catalyst layer provided in at least a part of a region where the catalyst layer of the electrolyte membrane is not formed. And a non-catalytic layer having a compression rate substantially the same as the compression rate of the fuel cell, the method comprising: forming a catalyst layer by applying a material constituting the catalyst layer to the electrolyte membrane and drying it; And a step of forming a non-catalyst layer by applying a material excluding the catalyst out of the material constituting the catalyst layer to the catalyst layer non-formation region of the electrolyte membrane and drying it.
かかる方法によれば、触媒層を構成する材料の塗布作業と、非触媒層を構成する材料(触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料)の塗布作業と、を略同時に一挙に実施することができ、塗布後の乾燥も同時に実施することができるので、短時間で触媒層及び非触媒層を形成することができる。 According to such a method, the application work of the material constituting the catalyst layer and the application work of the material constituting the non-catalyst layer (the material excluding the catalyst among the materials constituting the catalyst layer) are performed substantially simultaneously. Since drying after coating can be performed at the same time, the catalyst layer and the non-catalyst layer can be formed in a short time.
本発明によれば、燃料電池の電解質膜に設けられた触媒層の端部の劣化を効果的に防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, deterioration of the edge part of the catalyst layer provided in the electrolyte membrane of the fuel cell can be prevented effectively.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。 Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The fuel cell according to the following embodiments is a solid polymer electrolyte type fuel cell suitable for in-vehicle use.
まず、図1及び図2を用いて、本実施形態に係る燃料電池1の構成について説明する。燃料電池1は、複数の単電池10を積層したスタック本体2を備えており、スタック本体2の両端に位置する単電池10の外側に、出力端子付の集電板3、絶縁板4及びエンドプレート5がこの順に配置されて構成されている。各エンドプレート5の外側には図示していないテンションプレートが配置され、これらテンションプレートが各々エンドプレート5にボルト固定されることにより、単電池10の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。
First, the configuration of the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The fuel cell 1 includes a
次に、図2及び図3を用いて、単電池10の構成について説明する。単電池10は、図2及び図3に示すように、電解質膜11、電解質膜11の両面に設けられた電極用の触媒層12、電解質膜11の触媒層非形成領域11aに設けられたダミー層13、触媒層12の外側に配設される拡散層14、反応ガス流路が設けられたセパレータ15、拡散層14とセパレータ15との間をシールするシール部材16等から構成されている。
Next, the configuration of the
電解質膜11は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成されている。触媒層12は、白金やコバルト等の電極触媒が担持されたシート状成形体であって、アノード側電極とカソード側電極とを構成する。電解質膜11及び触媒層12は何れも平面視で矩形形状を呈しており、図2及び図3に示すように、電解質膜11は触媒層12よりも広い面積を有している。
The
ダミー層13は、本発明における非触媒層であり、燃料電池製作の際の締結時に触媒層12の端部近傍に間隙が生じることを阻止して、触媒層12の端部を保護するものである。ダミー層13は、触媒層12を構成する材料のうち白金等の触媒を除いた材料で構成され、圧縮力が作用していない状態で触媒層12の厚さと略同一の厚さを有するとともに、触媒層12の圧縮率と略同一の圧縮率を有している。本実施形態においては、電解質膜11の触媒層非形成領域11aに液滴吐出法(インクジェット法)で所定の溶液を塗布して固化させることにより、ダミー層13を形成している。
The
拡散層14は、カーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池1の外部からセパレータ15を介して触媒層12側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層12に流すものである。セパレータ15は、ガス不透過の導電性材料で構成され、その電極側の面には反応ガス流路15aが形成されている。また、セパレータ15には、反応ガスの入口及び出口となるマニホールド15bが設けられており、マニホールド15bは反応ガス流路15aに連通するようになっている。
The
次に、図3等を用いて、本実施形態に係る燃料電池1の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
まず、電解質膜11を準備する(電解質膜準備工程)。次いで、白金担持カーボン粉末とナフィオン溶液とを酢酸ブチル溶媒に分散させることにより、ペースト状の電極触媒スラリーを調製する。また、かかる電極触媒スラリーから触媒である白金を除いたペースト状の非触媒スラリーを調製する(スラリー調製工程)。
First, the
次いで、電極触媒スラリーを電解質膜11の中央部に塗布するとともに、非触媒スラリーを電解質膜11の周縁部(触媒層非形成領域11a)に塗布し、これら電極触媒スラリー及び非触媒スラリーを乾燥させることにより、触媒層12及びダミー層を形成する(触媒層・ダミー層形成工程)。
Next, the electrode catalyst slurry is applied to the central portion of the
続いて、図3に示すように、触媒層12及びダミー層13の上にカーボンペーパを接合して拡散層14を形成する(拡散層形成工程)。そして、これら電解質膜11、触媒層12、ダミー層13及び拡散層14からなる積層体を、シール部材16を介してセパレータ15で挟持することにより、単電池10を構成する。その後、単電池10を複数積層してスタック本体2を構成し、このスタック本体2の端部に集電板3、絶縁板4及びエンドプレート5を配置し、エンドプレート5にテンションプレートをボルト固定することにより、燃料電池1を得る。
Subsequently, as shown in FIG. 3, carbon paper is bonded onto the
以上説明した実施形態に係る燃料電池1においては、電解質膜11の触媒層非形成領域11aに、触媒層12の圧縮率と略同一の圧縮率を有するダミー層13が設けられているので、これら触媒層12及びダミー層13に共通の圧縮力を作用させた場合に、触媒層12の端部近傍に間隙が生じるのを阻止することができる。従って、劣化要因物質を含む生成水が触媒層12の端部近傍に溜まることを阻止することができるので、触媒層12の端部の劣化を効果的に防止することができ、触媒層12の耐久性を向上させることができる。
In the fuel cell 1 according to the embodiment described above, since the
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池1の製造方法においては、触媒層12を構成する材料の塗布作業と、ダミー層13を構成する材料(触媒層12を構成する材料のうち触媒を除いた材料)の塗布作業と、を共通の工程で略同時に一挙に実施することができ、塗布後の乾燥も同時に実施することができる。従って、短時間で触媒層12及びダミー層13を形成することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the fuel cell 1 according to the embodiment described above, the application work of the material constituting the
なお、以上の実施形態においては、電極触媒スラリーから触媒(白金)を除いた非触媒スラリー(カーボン粉末とナフィオン溶液とを酢酸ブチル溶媒に分散させたもの)を用いてダミー層13を構成した例を示したが、ダミー層13を構成する非触媒スラリーに撥水性材料又は不透水性材料を含有させることもできる。
In the above embodiment, the
撥水性材料としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、テトラフルオロエチレンーペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレンーエチレン共重合体等を採用することができる。 Examples of water-repellent materials include PTFE (polytetrafluoroethylene), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, A tetrafluoroethylene-ethylene copolymer or the like can be employed.
1…燃料電池、11…電解質膜、11a…触媒層非形成領域、12…触媒層、13…ダミー層(非触媒層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 11 ... Electrolyte membrane, 11a ... Catalyst layer non-formation area | region, 12 ... Catalyst layer, 13 ... Dummy layer (non-catalyst layer)
Claims (8)
前記電解質膜の前記触媒層が設けられていない領域の少なくとも一部に設けられた非触媒層を備え、
前記非触媒層は、前記触媒層の圧縮率と略同一の圧縮率を有する燃料電池。 A fuel cell comprising an electrolyte membrane and electrode catalyst layers provided on both surfaces of the electrolyte membrane,
A non-catalytic layer provided in at least a part of a region where the catalyst layer of the electrolyte membrane is not provided;
The non-catalyst layer is a fuel cell having a compression rate substantially the same as the compression rate of the catalyst layer.
前記触媒層を構成する材料を前記電解質膜に塗布し乾燥させることにより前記触媒層を形成する工程と、
前記触媒層を構成する材料のうち触媒を除いた材料を前記電解質膜の触媒層非形成領域に塗布し乾燥させることにより前記非触媒層を形成する工程と、
を含む燃料電池の製造方法。
An electrolyte membrane, a catalyst layer provided on both surfaces of the electrolyte membrane, and a compression rate substantially the same as the compression rate of the catalyst layer provided in at least a part of the region of the electrolyte membrane where the catalyst layer is not formed A non-catalytic layer comprising: a fuel cell manufacturing method comprising:
Forming the catalyst layer by applying a material constituting the catalyst layer to the electrolyte membrane and drying;
Forming the non-catalyst layer by applying a material excluding the catalyst from the material constituting the catalyst layer to the catalyst layer non-formation region of the electrolyte membrane and drying;
A method for producing a fuel cell comprising:
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