JP2006338880A - Membrane-electrode assembly and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜−電極接合体および燃料電池に関する。より詳しくは、芯材を有する膜−電極接合体およびこれを利用した燃料電池に関する。 The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a membrane-electrode assembly having a core material and a fuel cell using the same.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を、2枚の電極(アノードとカソード)で挟んだ構造を有する。カソードには、酸素等の酸化剤ガスが供給される。アノードには、水素等の燃料が供給され、電極反応によってプロトンと電子が発生する。前記プロトンは、前記高分子電解質膜を通過してカソードへと移動し、酸素等と反応して水等を発生する。前記電子もカソードへと移動するが、その際の電流を外部に取り出すことで、化学反応のエネルギーを電力として利用することができる。 A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is sandwiched between two electrodes (an anode and a cathode). An oxidant gas such as oxygen is supplied to the cathode. A fuel such as hydrogen is supplied to the anode, and protons and electrons are generated by an electrode reaction. The protons pass through the polymer electrolyte membrane and move to the cathode, and react with oxygen to generate water and the like. Although the electrons also move to the cathode, the energy of the chemical reaction can be used as electric power by taking out the current at that time.
かかる動作を実現するために、固体高分子型燃料電池において、高分子電解質膜の両面には電極が接合され、膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が形成される。膜−電極接合体は、酸化剤ガスと燃料ガスの流路を刻まれた気密性のあるセパレータにより絶縁され、膜−電極接合体とセパレータが積層されてスタックを形成する。 In order to realize such an operation, in a polymer electrolyte fuel cell, electrodes are bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly (MEA). The membrane-electrode assembly is insulated by an air-tight separator having engraved flow paths for the oxidant gas and the fuel gas, and the membrane-electrode assembly and the separator are stacked to form a stack.
一般に、膜−電極接合体の製造において、高分子電解質膜は、電極やセパレータにより挟まれ、機械的に、あるいはホットプレスにより、接合される。このため、接合時の圧力に耐えられるように、また、長期間の使用において磨耗等による物理的な破損が生じないように、前記高分子電解質膜に十分な強度を持たせる必要がある。一方、プロトン伝導性を向上させる等の理由からは、前記高分子電解質膜をできるだけ薄くする必要がある。よって、厚さを増すことなく高分子電解質膜の強度を上げることが望ましい。 In general, in the production of a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between electrodes and a separator and joined mechanically or by hot pressing. For this reason, it is necessary to give the polymer electrolyte membrane sufficient strength so that it can withstand the pressure at the time of bonding and so that physical damage due to wear or the like does not occur during long-term use. On the other hand, for reasons such as improving proton conductivity, the polymer electrolyte membrane needs to be as thin as possible. Therefore, it is desirable to increase the strength of the polymer electrolyte membrane without increasing the thickness.
かかる課題を解決する技術として、特許文献1乃至特許文献3に開示されたものがある。特許文献1乃至特許文献3において、高分子電解質は多孔質の樹脂や基体に保持され、高分子電解質膜の物理的強度が向上されている。
しかしながら、前記従来の構成においても、高分子電解質膜の物理的強度が不十分であるという問題を有していた。本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高い強度を有する膜−電極接合体、およびこれを利用した燃料電池を提供することを目的としている。 However, the conventional configuration also has a problem that the physical strength of the polymer electrolyte membrane is insufficient. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a membrane-electrode assembly having high strength and a fuel cell using the membrane-electrode assembly.
本発明者らは、空隙を有する多孔質の樹脂を芯材とし、これに高分子電解質を含浸させて複合膜を作成した。そして、前記複合膜の両面の中央部に電極を形成し、さらに前記複合膜の周縁部を両面からガスケットで挟持して、膜−電極接合体を作成した。そして、前記膜−電極接合体を用いて燃料電池を組み上げ、試験を行った。その結果、前記複合膜と前記ガスケットとの接合部分(周縁部)に、前記複合膜の強度不足によるものと思われる破損が発生することが分かった。これは、積層によりスタックを形成する時の押圧が、前記複合膜の接合部分に集中するためと推察された。 The present inventors made a composite membrane by using a porous resin having voids as a core material and impregnating it with a polymer electrolyte. Then, an electrode was formed at the center of both surfaces of the composite membrane, and the peripheral portion of the composite membrane was sandwiched from both sides with a gasket to prepare a membrane-electrode assembly. And the fuel cell was assembled using the said membrane-electrode assembly, and the test was done. As a result, it was found that breakage that appears to be due to insufficient strength of the composite film occurred in the joint portion (peripheral part) between the composite film and the gasket. This is presumed to be because the pressure when forming a stack by stacking concentrates on the joint portion of the composite film.
そこで、芯材そのものを、接合部分(周縁部)の厚みが中央部に比べ大きくなるように形成して、枠部とした。そして、中央部分には、前記空隙(多孔質に由来する空隙)に高分子電解質を含浸させて膜部とし、その両側に電極およびガス拡散層(GDL:Gass Diffusion Layer)を形成し、膜−電極接合体とした。そして、ガスケットを使用せず、芯材の枠部をセパレータで直接挟持し、スタックを作成した。かかる構成としたところ、膜の破損が減少した。本構成では、枠部を厚く形成することで、セパレータとの接触部分の物理的強度が向上している。これが、締結時の締結部における膜の耐久性を改善させたと推察される。 Therefore, the core material itself was formed so that the thickness of the joining portion (peripheral portion) was larger than that of the central portion, thereby forming a frame portion. In the central portion, the void (void derived from the porous material) is impregnated with a polymer electrolyte to form a membrane portion, and electrodes and gas diffusion layers (GDLs) are formed on both sides thereof. An electrode assembly was obtained. Then, without using a gasket, the frame portion of the core material was directly sandwiched between separators to create a stack. With such a configuration, damage to the membrane was reduced. In this configuration, the physical strength of the contact portion with the separator is improved by forming the frame portion thickly. This is presumed to have improved the durability of the membrane at the fastening portion during fastening.
また上記の構成では、枠部自体がスペーサとしての役割を果たすことができる。よって、ガスケット等のスペーサを必ずしも必要とせず、構造を単純化できる。また、ガス拡散層や触媒層ではなく芯材がセパレータ等と接触することになる。よって、ガス拡散層や触媒層がガスケットとの接合部分で押しつぶされることがなくなり、セパレータの主面により均等に押されることになる。よって、電極におけるガスの分布や電極反応の分布を均等化できる。 In the above configuration, the frame itself can serve as a spacer. Therefore, a spacer such as a gasket is not necessarily required, and the structure can be simplified. In addition, the core material comes into contact with the separator, not the gas diffusion layer or the catalyst layer. Therefore, the gas diffusion layer and the catalyst layer are not crushed at the joint portion with the gasket, and are pushed evenly by the main surface of the separator. Therefore, the gas distribution and the electrode reaction distribution in the electrode can be equalized.
また、従来の構成では、ガスケットにより高分子電解質膜を挟持しており、長期間経過すると、接合部分において、塑性変形と応力緩和(クリープ)によりゆるみが生じてしまうという問題があった。しかし、上記の構成では、ガスケットに相当する枠部と高分子電解質膜に相当する膜部とが一体に形成されるため、かかる問題が生じないという利点がある。 Further, in the conventional configuration, the polymer electrolyte membrane is sandwiched by the gasket, and after a long period of time, there has been a problem that loosening occurs due to plastic deformation and stress relaxation (creep) at the joint portion. However, the above configuration has an advantage that such a problem does not occur because the frame portion corresponding to the gasket and the membrane portion corresponding to the polymer electrolyte membrane are integrally formed.
また、上記の構成では、枠部とセパレータとの間に嵌合構造を形成することが可能となり、ガスケットで単純に膜を挟持する場合に比べてシール性も向上することが期待される。 In the above configuration, it is possible to form a fitting structure between the frame portion and the separator, and it is expected that the sealing performance is improved as compared with the case where the membrane is simply sandwiched by the gasket.
また、従来の構成では、高分子電解質膜をガスケットで挟持しており、高分子電解質膜においてガスケットに重なる部分やその外側はプロトン輸送に関与することがなかった。しかし、上記の構成では、ガスケットを必要としない。このため、ガス拡散層を高分子電解質層および触媒層よりも大きくすれば、高分子電解質膜の全面がプロトン輸送に関与できるようになる。よって、高分子電解質の利用効率が向上する。 In the conventional configuration, the polymer electrolyte membrane is sandwiched between gaskets, and the portion of the polymer electrolyte membrane that overlaps the gasket and the outside thereof are not involved in proton transport. However, the above configuration does not require a gasket. For this reason, if the gas diffusion layer is made larger than the polymer electrolyte layer and the catalyst layer, the entire surface of the polymer electrolyte membrane can participate in proton transport. Therefore, the utilization efficiency of the polymer electrolyte is improved.
また、従来の構成では、ガスケットで挟持する際に部材が重ならないように、ガスケットと触媒層等との間に間隔(スペース)を設ける必要があった。このため、ガスケットと触媒層やガス拡散層との間に隙間ができ、前記隙間を通じて、ガスの短絡や回り込みが生じるという問題があった。しかし、上記の構成とすれば、膜部の全面に高分子電解質層を形成し、さらにその全面に電極を作成することで、隙間がなくなり、ガスの短絡や回り込みを防止できると考えられる。 Further, in the conventional configuration, it is necessary to provide an interval (space) between the gasket and the catalyst layer so that the members do not overlap when sandwiched by the gasket. For this reason, there is a problem that a gap is formed between the gasket and the catalyst layer or the gas diffusion layer, and a gas short circuit or wraparound occurs through the gap. However, with the above configuration, it is considered that a polymer electrolyte layer is formed on the entire surface of the membrane portion, and an electrode is formed on the entire surface, thereby eliminating gaps and preventing gas short-circuiting and wraparound.
さらに、従来の構成では、膜をガスケットにより挟持していたが、この際の位置決めが困難であるという問題があった。また、ガス拡散層を膜−電極接合体に載せる際の位置決めも困難であるという問題があった。しかし、上記の構成とすれば、高分子電解質はガスケットに相当する芯材と一体に構成される。よって、枠部にセパレータの形状と対応する位置決め用の凹部や凸部を形成したり、ガス拡散層をはめ込むための凹部を形成することにより、位置決めが容易になるという効果も得られる。 Furthermore, in the conventional configuration, the membrane is sandwiched between gaskets, but there is a problem that positioning at this time is difficult. Further, there is a problem that positioning when placing the gas diffusion layer on the membrane-electrode assembly is difficult. However, if it is set as said structure, a polymer electrolyte will be comprised integrally with the core material corresponded to a gasket. Therefore, by forming a positioning concave portion or convex portion corresponding to the shape of the separator in the frame portion or forming a concave portion for fitting the gas diffusion layer, positioning can be easily performed.
すなわち、本発明の膜−電極接合体は、膜部の両側を連通する透孔を有し前記透孔に高分子電解質が充填された前記膜部と、膜部より厚い枠部と、を有する芯材と、前記膜部の両面に形成された高分子電解質層と、前記高分子電解質層の外側に形成された触媒層と、
前記触媒層の外側に形成されたガス拡散層と、を有する。
That is, the membrane-electrode assembly of the present invention has the membrane portion having a through hole communicating with both sides of the membrane portion, the membrane portion filled with a polymer electrolyte, and a frame portion thicker than the membrane portion. A core material, a polymer electrolyte layer formed on both surfaces of the membrane part, a catalyst layer formed on the outside of the polymer electrolyte layer,
A gas diffusion layer formed outside the catalyst layer.
これにより、セパレータとの接合部分(枠部)が厚く構成され、物理的な強度が向上する。また、枠部自体が厚みを有することで、スペーサとしての役割を果たすことができる。よって、ガスケット等のスペーサを必ずしも必要とせず、構造を単純化できる。さらに、ガスケットに相当する枠部と高分子電解質膜に相当する膜部とが一体に形成されるため、応力緩和によるゆるみが生じない。 Thereby, a junction part (frame part) with a separator is constituted thick, and physical strength improves. Further, since the frame itself has a thickness, it can serve as a spacer. Therefore, a spacer such as a gasket is not necessarily required, and the structure can be simplified. Furthermore, since the frame portion corresponding to the gasket and the membrane portion corresponding to the polymer electrolyte membrane are integrally formed, loosening due to stress relaxation does not occur.
また、本発明の膜−電極接合体においては、前記膜部は空隙を有することにより多孔質となっており、前記空隙が前記透孔を形成してもよい。かかる構成では、多孔質である材料そのものが有する空隙が透孔として機能するため、膜部に容易に透孔を形成することができる。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, the membrane part may be porous by having a void, and the void may form the through hole. In such a configuration, since the voids of the porous material itself function as the through holes, the through holes can be easily formed in the film part.
また、本発明の膜−電極接合体においては、前記膜部は、両面を貫通する孔を有し、前記透孔は前記孔であってもよい。これにより、材料そのものに透孔がない場合にあっても、パンチング等により膜部に透孔を形成することができる。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, the membrane part may have a hole penetrating both surfaces, and the through hole may be the hole. Thereby, even when there is no through hole in the material itself, the through hole can be formed in the film part by punching or the like.
また、本発明の膜−電極接合体においては、前記ガス拡散層の主面が前記高分子電解質層の主面の全面を覆ってもよい。これにより、高分子電解質層の全面がプロトンの輸送に寄与する。よって、高分子電解質の利用効率を向上できる。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, the main surface of the gas diffusion layer may cover the entire main surface of the polymer electrolyte layer. Thereby, the entire surface of the polymer electrolyte layer contributes to proton transport. Therefore, the utilization efficiency of the polymer electrolyte can be improved.
また、本発明の膜−電極接合体においては、前記ガス拡散層の主面が前記触媒層の主面の全面を覆ってもよい。これにより、ガス拡散層から供給される反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が触媒層の全面に行き渡り、電極反応が起こる。よって、触媒の利用効率を向上できる。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, the main surface of the gas diffusion layer may cover the entire main surface of the catalyst layer. Thereby, the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) supplied from the gas diffusion layer spreads over the entire surface of the catalyst layer, and an electrode reaction occurs. Therefore, the utilization efficiency of the catalyst can be improved.
また、本発明の膜−電極接合体においては、前記高分子電解質層の主面と、前記触媒層の主面の大きさが等しくてもよい。これにより、触媒層で発生する電極反応により生じたプロトンが高分子電解質層全体に効率よく行き渡る。すなわち、触媒および高分子電解質の利用効率を向上できる。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, the main surface of the polymer electrolyte layer and the main surface of the catalyst layer may be equal in size. Thereby, protons generated by the electrode reaction generated in the catalyst layer are efficiently distributed throughout the polymer electrolyte layer. That is, the utilization efficiency of the catalyst and the polymer electrolyte can be improved.
また、本発明の膜−電極接合体においては、前記枠部の内周に凹部を有し、前記凹部に前記ガス拡散層がはめ込まれていてもよい。これにより、膜−電極接合体とガス拡散層との間の位置決めが容易になる。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, a recess may be provided on the inner periphery of the frame portion, and the gas diffusion layer may be fitted in the recess. This facilitates positioning between the membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer.
あるいは、前記枠部の主面に凹部を有してもよい。あるいは、前記枠部の主面に凸部を有してもよい。前記凹部または凸部をかみ合わせ部分とすることで、膜−電極接合体とセパレータとの間の位置決めが容易になる。 Or you may have a recessed part in the main surface of the said frame part. Or you may have a convex part in the main surface of the said frame part. Positioning between the membrane-electrode assembly and the separator is facilitated by using the concave portion or the convex portion as a meshing portion.
また、本発明の燃料電池は、膜部の両側を連通する透孔を有し、前記透孔に高分子電解質が充填された前記膜部と、膜部より厚い枠部と、を有する芯材と、前記膜部の両面に形成された高分子電解質層と、前記高分子電解質層の外側に形成された触媒層と、前記触媒層の外側に形成されたガス拡散層と、を有する、膜−電極接合体と、セパレータと、を備え、前記膜−電極接合体と、前記セパレータとが積層されている。 The fuel cell of the present invention includes a core material having a through hole communicating with both sides of the membrane part, the membrane part filled with a polymer electrolyte in the through hole, and a frame part thicker than the membrane part. A membrane having a polymer electrolyte layer formed on both sides of the membrane portion, a catalyst layer formed outside the polymer electrolyte layer, and a gas diffusion layer formed outside the catalyst layer -An electrode assembly and a separator are provided, and the membrane-electrode assembly and the separator are laminated.
これにより、燃料電池の主要部品である膜−電極接合体の、セパレータとの接合部分(枠部)が厚く構成され、物理的な強度が向上する。また、枠部自体が厚みを有することで、スペーサとしての役割を果たすことができる。よって、スタックを形成する際に、ガスケット等のスペーサを必ずしも必要とせず、燃料電池の構造を単純化できる。さらに、ガスケットに相当する枠部と高分子電解質膜に相当する膜部とが一体に形成されるため、応力緩和によるゆるみが生じない。 Thereby, the junction part (frame part) with the separator of the membrane-electrode assembly, which is a main part of the fuel cell, is formed thick, and the physical strength is improved. Further, since the frame itself has a thickness, it can serve as a spacer. Therefore, when forming the stack, a spacer such as a gasket is not necessarily required, and the structure of the fuel cell can be simplified. Furthermore, since the frame portion corresponding to the gasket and the membrane portion corresponding to the polymer electrolyte membrane are integrally formed, loosening due to stress relaxation does not occur.
本発明は、上記のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、高い強度を有する膜−電極接合体およびこれを利用した燃料電池を提供することが可能となる。 The present invention has the above-described configuration and has the following effects. That is, it is possible to provide a membrane-electrode assembly having high strength and a fuel cell using the same.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
[構造]
図1−A、図1−Bは、本発明の第1実施形態の膜−電極接合体10の概略構成の一例を示す図であって、図1−Aは図1−BのIA−IA線に沿った断面図、図1−Bは正面図である。以下、図1を参照しながら、本実施形態の膜−電極接合体について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
[Construction]
1-A and FIG. 1-B are diagrams showing an example of a schematic configuration of the membrane-
図1−A、図1−Bに示す通り、本実施の形態の膜−電極接合体10は、中央が膜状であってその周縁が枠状である全体として略矩形板状の芯材1を有し、芯材1の膜状部分を中心として、その主面の両側に形成された高分子電解質層2と、高分子電解質層2の外側に形成された触媒層3(電極層)と、触媒層3の外側に形成されたガス拡散層4と、を有する。すなわち、芯材1の膜状部分を中心に、その両側に、高分子電解質層2、触媒層3、ガス拡散層4、が順に積層された構造を有する。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the membrane-
図2−A、図2−Bは、本発明の第1実施形態における芯材1の概略構成の一例を示す図であって、図2−Aは、図2−BのIIA−IIA線に沿った断面図、図2−Bは平面図である。芯材1の中央にある膜状部分を以下、膜部5と呼ぶ。また、膜部5を囲う周縁部分を枠部6と呼ぶ。
FIG. 2-A and FIG. 2-B are diagrams showing an example of a schematic configuration of the
膜部5および枠部6の厚さは特に限定されないが、プロトン伝導性を確保するという点からは、膜部5はなるべく薄いことが望ましい。一方、強度を向上するという点からは、枠部6の厚さはなるべく厚いことが望ましい。具体的には、膜部5の厚さは1〜20μm程度、枠部6の厚さは100〜500μm程度が好適である。
Although the thickness of the
図1−A、図1−B、図2−A、図2−Bを参照すると、枠部6の厚みは、ここではその両主面が厚み方向においてガス拡散層4より低く位置するように形成されている。また、膜部5は枠部6の厚み方向における両主面の真中に位置することが好ましい。これにより、膜部5を中心にして、高分子電解質層2、触媒層3、ガス拡散層4を面対称に配設することが容易になる。
Referring to FIGS. 1-A, 1-B, 2-A, and 2-B, the thickness of the
高分子電解質層2は、膜部5にちょうど重なるように、すなわち膜部5の全面を覆いかつ縁が一致するように、形成されていることが好ましい。また、触媒層3も、高分子電解質層2の主面にちょうど重なるように、すなわち高分子電解質層2の全面を覆いかつ縁が一致するように、形成されていることが好ましい。すなわち、膜部5、高分子電解質層2、触媒層3の面積は略等しいことが好ましい。ガス拡散層4は、触媒層3の主面全面を覆い、かつ周囲が触媒層3の縁からはみ出るように形成されていることが好ましい。すなわち、ガス拡散層4の面積は、膜部5、および/または高分子電解質層2、および/または触媒層3、よりも大きいことが好ましい。
[材料]
芯材1の材料には、ポリフェニルスルフィド(PPS)が好適に用いられる。PPSを用いる場合には、膜部5にパンチング等により膜部5を厚み方向に貫通する孔(透孔[through−hole]という)を形成する。そして、前記透孔の内部には、プロトン伝導性を有する物質(例えば電解質、より好ましくは、高分子電解質層2と同種または異種の高分子電解質)が充填される。これは、膜部5のプロトン伝導性を確保するためである。よって、芯材1において、少なくとも膜部5には、膜部5に透孔を有することが好ましい。より好ましくは、膜部5の全面に多数の透孔が均等に形成されていることが好ましい。図3は、本発明の第1実施形態の膜−電極接合体10の膜部5の断面を拡大した模式図である。図3を見ても分かるように、膜部5には芯材1に透孔1aが多数形成されており、透孔1aの内部に高分子電解質8が充填されている。
The
[material]
Polyphenyl sulfide (PPS) is preferably used as the material for the
高分子電解質層2および高分子電解質8の材料には、プロトン伝導性を有する高分子が利用可能であり、特にパーフルオロスルホン酸が好適に用いられる。触媒層3の材料には、白金等の触媒を担持した導電体(例えばアセチレンブラック、ケッチェン等)が好適に用いられる。ガス拡散層4の材料には導電体(例えばカーボン不織布、ペーパー等)や濾紙等が好適に用いられる。
[使用態様]
本実施形態の膜−電極接合体10を使用する場合においては、図1に点線で示すように、セパレータ7により膜−電極接合体10を挟持する。セパレータ7には、ガス拡散層4と接する側に、気体が通流する流路が形成されている。そして、片側(カソード側)の流路には酸化剤ガスである空気や酸素等を、もう一方(アノード側)には燃料ガスである水素リッチガス等が通流する。ガスはそれぞれ、ガス拡散層4を通じて、触媒層3へと拡散する。アノード側の触媒層3では、燃料ガスからプロトンと電子が放出される。そして、前記プロトンはアノード側の高分子電解質層2、芯材1、カソード側の高分子電解質層2を通じて、カソード側の触媒層3へと移動する。そこで、前記プロトンは酸素と反応して水が生じる。一方、前記電子は高分子電解質層2を通過できないため、導電性を有する触媒層3から外部負荷を通じてカソードへと移動する。これにより、化学反応によって生じる電子の流れを電力として利用することができる。
As the material for the
[Usage]
In the case of using the membrane-
セパレータ7において、ガス拡散層4との接触面を平面状にすることで、ガス拡散層4、触媒層3、高分子電解質層2は均等に圧力を受けることになる。かかる構成とした場合、ガスの分布や電極反応の分布がより均質化されることが期待される。
[製造方法]
次に、本実施形態の膜−電極接合体10の製造方法の一例について説明する。図4−A乃至図4−Eは、本発明の第1実施形態の膜−電極接合体10の製造方法の一例を概略的に示す模式図であって、図4−Aは熱圧着前の状態、図4−Bは熱圧着後の状態、図4−Cは膜部5に高分子電解質層2を形成した状態、図4−Dは触媒層3を形成した状態、図4−Eはガス拡散層4を形成した状態を示す。図4−Aに示すように、まず、少なくとも中央に多数の透孔を有するPPSの有孔フィルム30を1枚用意する。次に、中央に矩形状の開口部を有する、額縁型の枠シート31(PPS製)を複数枚用意する。そして、枠シート31を、有孔フィルム30の両面に重ねながら熱圧着してゆく。これにより、図4−Bに示すように、分厚い枠状の枠部6と、薄いフィルム状の膜部5を有する芯材1が得られる。
By making the contact surface with the
[Production method]
Next, an example of the manufacturing method of the membrane-
次に、図4−Cに示すように、膜部5の両面にアルコールに分散させたパーフルオロスルホン酸樹脂を塗布する。アルコールが揮散することにより、膜部5の両側に高分子電解質層2が形成され、膜部5の透孔の内部にも高分子電解質が満たされることになる。高分子電解質層2を形成させる方法としては、キャスト、スプレー、バーコータ等、既存の薄膜製造技術を利用することが可能である。
Next, as shown in FIG. 4C, perfluorosulfonic acid resin dispersed in alcohol is applied to both surfaces of the
次に、図4−Dに示すように、高分子電解質層2の上に、触媒層3を形成する。セパレータによる締結を行う前の状態では触媒層3が枠部6の表面を若干(10μm程度)はみ出し、セパレータで締結した状態では触媒層3と枠部6の端面が同一平面になるように、高分子電解質層2や触媒層3の厚みが調整されていることが好ましい。具体的には、枠部6をマスキングシートで覆い、白金等の触媒を担持させたカーボン粒子をペースト状態として、高分子電解質層2の上に、マスキングシートの高さまで塗布する。塗布後、マスキングシートをはがせば、枠部6の端面よりも触媒層3が若干はみ出す(突出する)。かかる方法によれば、触媒層3と枠部6の間に隙間のない構成を容易に作成でき、ガスの回り込みを容易に防ぐことができる。
Next, as shown in FIG. 4-D, the
あるいは、両面の高分子電解質層2の上に、白金を担持させたアセチレンブラック、ケッチェン等を枠部6と同じ大きさに切り取り、枠部6の内側にはめ込んでもよい。これにより、触媒層3が形成される。触媒層3の大きさは、膜部5と同じであることが好ましい。また、はめ込む際に、前記アセチレンブラック、ケッチェン等の高分子電解質層2側に、高分子電解質を塗布等してから高分子電解質層2に圧着させると、プロトンの移動に対する抵抗性を低くすることができ、適度な接着力も得られるので好適である。
Alternatively, acetylene black, ketchen or the like carrying platinum may be cut out on the polymer electrolyte layers 2 on both sides to the same size as the
次に、図4−Eに示すように、両面の触媒層3の上に、矩形状に切り取ったカーボン不織布、ペーパー等を載せることで、ガス拡散層4が形成される。ここで、ガス拡散層4は、膜部5および高分子電解質層2よりも大きいことが好ましい。
Next, as shown to FIG. 4-E, the
上記の方法により、芯材1の中央にある膜部5の両面に、高分子電解質層2、触媒層3、ガス拡散層4が順次積層された構造を有する膜−電極接合体10が得られる。また、使用態様に応じて、枠部6に、ガスや冷却水を通流するマニフォールド孔を形成してもよい。
[特徴および効果]
本実施形態の膜−電極接合体10の第1の特徴は、芯材1の周縁部を構成する枠部6が中央部を構成する膜部5よりも厚く形成されているところにある。これにより、枠部6をセパレータで挟んで固定した場合に、高分子電解質膜を直接挟んで固定する場合に比べ、強度や耐久性が飛躍的に向上する。同時に、枠部6が厚みを有することで、枠部6自体がスペーサとしての役割を果たすことができる。よって、ガスケット等のスペーサが不要となり、構造を単純化できる。また、芯材1の枠部6を接合部分としてセパレータ等と積層すれば、スタック形成時の接合部分の押圧が枠部6に集中する。これにより、高分子電解質層2や触媒層3、ガス拡散層4に接合部分の圧力がかかることがない。よって、セパレータとガス拡散層4との接触面を平面状にすれば、ガスや電極反応の分布を均等化できる。さらに、枠部6と膜部5は一体に形成されているので、長期間経過しても、塑性変形と応力緩和(クリープ)によるゆるみが生じにくい。また、かかる構成では、枠部6とセパレータとの間に、後述するように嵌合構造を形成することが可能となり、ガスケットで単純に膜を挟持する場合に比べてシール性も向上することが期待される。
By the above method, the membrane-
[Features and effects]
The first feature of the membrane-
本実施形態の膜−電極接合体10の第2の特徴は、ガス拡散層4が高分子電解質層2や触媒層3よりも大きいことにある。これにより、高分子電解質層2の全面がプロトン輸送に関与することになり、高分子電解質の利用効率が向上する。また、触媒層3の全面が電極反応に関与することになり、触媒(白金等)の利用効率が向上する。
The second feature of the membrane-
本実施形態の膜−電極接合体10の第3の特徴は、膜部5の両面全面に高分子電解質層2を形成し、さらに高分子電解質層2の全面に触媒層3を形成するところにある。これにより、枠部6と触媒層3の間に隙間ができなくなる。よって、反応ガスの短絡や回り込みを防止できる。
[変形例]
本実施形態の膜−電極接合体10の製造方法としては、以下のようなものも考えられる。まず、高分子電解質層2、触媒層3を、ポリプロピレンのフィルムにバーコータでコートする。このとき、高分子電解質層2と触媒層3を合わせた高さが、膜部5の端面から枠部6の端面までの高さを若干(10μm程度)はみ出すようにする。続いて、膜部5と同じサイズに抜き打ちし、膜部5の上に、転写により、高分子電解質層2、触媒層3の順に積層する。これにより、触媒層3と高分子電解質層2が同サイズになり、触媒層3が枠部6よりも高くなる。続いて、触媒層3の上にガス拡散層4が形成されることにより、膜−電極接合体10が製造される。
The third feature of the membrane-
[Modification]
As a manufacturing method of the membrane-
枠部6は、全周にわたって厚く形成されている必要はなく、一部分のみが厚く形成されていてもよい。セパレータとの接合部分のみ厚く形成されていれば、膜−電極接合体10の強度を向上できる。
The
芯材1の材料は、必ずしもポリフェニルスルフィド(PPS)でなくてもよい。芯材として機能するに足る強度を有し、かつ、膜部5の両側(両主面の外側)を連通する空隙(透孔)を確保できるものであれば、如何なる素材であってもよい。なお、好適には、塑性変形性を有する素材、あるいは弾性を有する素材であることが好ましい。また、熱可塑性を有する樹脂を用いれば成型が容易であり好ましい。PPS以外の素材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を用いることができる。
The material of the
膜部5と枠部6の材料は必ずしも同種でなくてもよい。膜部5と枠部6を、溶着等により強固に接合できるものであれば、どのような材料で形成してもよい。例えば、図4において、有孔フィルム30と、枠シート31は、異なる材料であってもよい。2個の枠体(スペーサー)で有孔フィルム30を挟んで接合してもよい。
The material of the
透孔は、必ずしもパンチングによる孔のような巨視的なものでなくてもよい。膜部5の両側を連通するものであれば、多孔質の素材が有するような微視的な空隙であってもよい。この場合、多孔質に由来する空隙を透孔とし、高分子電解質を前記空隙に含浸させることで、膜部5のプロトン伝導性を確保できる。かかる空隙を有する素材としては、多孔質に調製されたPTFEが好適に用いられる。多孔質のPTFEを芯材1の膜部5に用いる場合には、高分子電解質を片面から塗布すれば毛管現象により高分子電解質が反対側の面にまで浸潤し、膜部5のプロトン伝導性を確保することができる。すなわち、両面から高分子電解質を塗布する必要がなく、加工方法を単純化できる。図5は、本発明の第1実施形態の膜−電極接合体において、多孔質のPTFEを用いた場合の芯材1の膜部5の断面を拡大した模式図である。図5を見れば分かるように、PTFEの透孔1a(空隙)に高分子電解質8が充填され、膜部5のプロトン伝導性が実現されている。なお、多孔質のPTFEを用いる場合には、シートの熱圧着ではなく、射出成型により芯材1を形成することが可能となるため、加工が容易であるという利点もある。なお、膜−電極接合体の構造等は、PTFEを用いた場合も、PPSを用いた場合と基本的に同様であるので、説明を省略する。
The through hole does not necessarily have to be macroscopic like a hole formed by punching. As long as both sides of the
また、枠部6の形状は、必ずしも図1のように表面が平坦である必要はない。枠部6に、積層時に膜−電極接合体10と隣接する部材(セパレータ等)と接合させるための凹部や凸部を形成したり、ガス拡散層をはめ込むための凹部を形成してもよい。これにより、セパレータやガス拡散層等の位置決めが容易になる。また、枠部6の全周にわたってセパレータ等と芯材1をはめ合わせることにより、気密性を向上させることもできる。枠部6に設ける凹部ないし凸部の形状、位置は特に限定されない。以下、枠部6に凹部を設けた具体的な例について、図6および図7を用いて説明するが、本発明は以下の態様に限定されるものではない。
Further, the shape of the
図6は、本発明の第1実施形態の膜−電極接合体において、枠部6の外縁にセパレータをはめ込むためのガイドとなる段状の凹部9aを形成した場合の断面の模式図である。かかる構成では、セパレータ7に対応する凸部を設けることで、セパレータ7と膜−電極接合体10の間の位置決めが容易になる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the membrane-electrode assembly according to the first embodiment of the present invention in which a step-shaped
図7は、本発明の第1実施形態の膜−電極接合体において、枠部6の内縁にガス拡散層4をはめ込むためのガイドとなる段状の凹部9bを形成した場合の断面の模式図である。かかる構成とすれば、ガス拡散層4と芯材1の間の位置決めが容易になる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the membrane-electrode assembly according to the first embodiment of the present invention in which a stepped
なお、本実施形態では、ガスケットを有しない構造としたが、必要に応じてガスケットを備えた構造とすることもできる。ガスケットを備える場合には、枠部6に、ガスケットの凹凸に対応した凹部ないし凸部を形成することで、位置決めが容易になり、またシール性を向上できる。
In this embodiment, the structure does not include a gasket, but a structure including a gasket may be used as necessary. When the gasket is provided, the
また、膜−電極接合体10や芯材1、膜部5は必ずしも図1に示したように矩形の板状である必要はなく、円盤状等であってもよいことは言うまでもない。また、枠部6には、酸化剤ガスや燃料ガス、内部冷却水等が通流するマニフォールドを有していてもよい。
(第2実施形態)
[構造および材料]
図8は、本発明の第2実施形態の燃料電池20の構成例を概略的に示す模式図である。以下、図8を参照しながら、本実施形態の燃料電池20について説明する。
Further, it goes without saying that the membrane-
(Second Embodiment)
[Structure and materials]
FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing a configuration example of the fuel cell 20 according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, the fuel cell 20 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
図8に示すように、燃料電池20は、セル11が多数積層されたスタックと呼ばれる構造を有する。セル11は、第1実施形態の膜−電極接合体10と、膜−電極接合体10のアノード側の主面に接するアノードセパレータ97と、膜−電極接合体10のカソード側の主面に接するカソードセパレータ96と、を有している。
As shown in FIG. 8, the fuel cell 20 has a structure called a stack in which
膜−電極接合体10の構成は、枠部6に、燃料ガス供給マニフォールド孔102a、酸化剤ガス供給マニフォールド孔101a、内部冷却水供給マニフォールド孔103a、燃料ガス排出マニフォールド孔102b、酸化剤ガス排出マニフォールド孔101b、内部冷却水排出マニフォールド孔103bがそれぞれ1つ、及びボルト孔104が6つ、形成されている点を除けば、第1実施形態における説明と同様であるので説明を省略する。
The structure of the membrane-
アノードセパレータ97には、膜−電極接合体10と接する側の主面に溝状の燃料ガス流路99が形成され、膜−電極接合体10と接しない側の主面に溝状の内部冷却水流路100bが形成されている。アノードセパレータ97の周縁部には該周縁部を貫通するように、燃料ガス供給マニフォールド孔102a、酸化剤ガス供給マニフォールド孔101a、内部冷却水供給マニフォールド孔103a、燃料ガス排出マニフォールド孔102b、酸化剤ガス排出マニフォールド孔101b、内部冷却水排出マニフォールド孔103bがそれぞれ1つ、及びボルト孔104が6つ、形成されている。そして、燃料ガス流路99は燃料ガス供給マニフォールド孔102aと燃料ガス排出マニフォールド孔102bとを接続するように形成され、内部冷却水流路100bは内部冷却水供給マニフォールド孔103aと内部冷却水排出マニフォールド孔103bとを接続するように形成されている。
In the anode separator 97, a groove-like fuel gas channel 99 is formed on the main surface on the side in contact with the membrane-
また、カソードセパレータ96は、膜−電極接合体10と接する側の主面に溝状の酸化剤ガス流路98が形成され、膜−電極接合体10と接しない側の主面に溝状の内部冷却水流路100aが形成されている(図には示されていないが、形状は内部冷却水流路100bと同様である)。カソードセパレータ96の周縁部には該周縁部を貫通するように、燃料ガス供給マニフォールド孔102a、酸化剤ガス供給マニフォールド孔101a、内部冷却水供給マニフォールド孔103a、燃料ガス排出マニフォールド孔102b、酸化剤ガス排出マニフォールド孔101b、内部冷却水排出マニフォールド孔103bがそれぞれ1つ、及びボルト孔104が6つ、形成されている。そして、酸化剤ガス流路98は酸化剤ガス供給マニフォールド孔101aと酸化剤ガス排出マニフォールド孔101bとを接続するように形成され、内部冷却水流路100bは内部冷却水供給マニフォールド孔103aと内部冷却水排出マニフォールド孔103bとを接続するように形成されている。
Further, the cathode separator 96 has a groove-like oxidant
これにより、燃料電池20には、膜−電極接合体10、アノードセパレータ97、カソードセパレータ96に形成された、燃料ガス供給マニフォールド孔102a、酸化剤ガス供給マニフォールド孔101a、内部冷却水供給マニフォールド孔103a、燃料ガス排出マニフォールド孔102b、酸化剤ガス排出マニフォールド孔101b、及び内部冷却水排出マニフォールド孔103b、ボルト孔104、がそれぞれ繋がって、燃料ガス供給マニフォールド、酸化剤ガス供給マニフォールド、内部冷却水供給マニフォールド、燃料ガス排出マニフォールド、酸化剤ガス排出マニフォールド、内部冷却水排出マニフォールドがそれぞれ1つ、及びボルト孔が6つ、形成される。また、アノードセパレータ97の外面の内部冷却水流路100bとカソードセパレータ96の外面の内部冷却水流路100aとが合わさって、隣接する2つのセル11の間に1つの内部冷却水流路が形成される。
As a result, the fuel cell 20 includes the fuel gas
アノードセパレータ97およびカソードセパレータ96は、導体で構成されている。セル11は単体で電池として機能するため、これを積層することでセル11が直列に接続され、全体として大きな1個の電池として機能する。スタックの両端には、一対の端板12が配設され、かつそれぞれ端板に集電板(図示せず)と電気出力端子(図示せず)が配設される。セル11は周縁部にボルト孔を有している。セル11は積層され、両端を端板12で押さえられた上で、ボルト孔を貫通するボルト(図示せず)により締結される。
[使用態様]
以上のような構成を有する本実施の形態の燃料電池発電の使用態様について、以下、概略的に説明する。
The anode separator 97 and the cathode separator 96 are made of a conductor. Since the
[Usage]
The usage mode of the fuel cell power generation of the present embodiment having the above configuration will be schematically described below.
まず、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れと発電について説明する。本実施形態において燃料ガスには、例えば水素が、酸化剤ガスには、例えば空気が用いられる。そして、外部の供給装置から燃料ガスおよび酸化剤ガスが、それぞれ燃料ガス供給マニフォールドおよび酸化剤ガス供給マニフォールドを通じて、燃料ガス流路99および酸化剤ガス流路98へと供給される。
First, the flow of fuel gas and oxidant gas and power generation will be described. In this embodiment, for example, hydrogen is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas. Then, the fuel gas and the oxidant gas are supplied from the external supply device to the fuel gas channel 99 and the
燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池20に供給されると、セル11のそれぞれにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスが電気化学的反応を起こし、電力を発生させる。前記電力は、上述の電気出力端子を通じて取り出され、利用される。
When the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell 20, the fuel gas and the oxidant gas cause an electrochemical reaction in each of the
また、燃料電池20では、燃料ガスおよび酸化剤ガスから、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスが発生する。前記燃料排ガスおよび前記酸化剤排ガスは、それぞれ燃料ガス排出マニフォールドおよび酸化剤ガス排出マニフォールドを通じて、系外へと排出される。 In the fuel cell 20, fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas are generated from the fuel gas and oxidant gas. The fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas are discharged out of the system through a fuel gas exhaust manifold and an oxidant gas exhaust manifold, respectively.
次に、内部冷却水の流れと熱の発生について説明する。燃料電池20における電気化学的反応を効率よく発生させるためには、セル11の温度を一定の温度に保つ必要がある。前記電気化学的反応が起こると熱が発生する。前記熱を除去するために、内部冷却水が、冷却水ポンプ等により、内部冷却水供給マニフォールドを通じて、それぞれのセル11の内部冷却水流路100a、100bへと供給される。そして、内部冷却水は、セル11から熱を受け取った後、内部冷却水排出マニフォールドを通じて、系外へと排出される。これにより、燃料電池20の内部で発生した熱が、系外へと排出される。燃料ガス、酸化剤ガス、内部冷却水の流量等を調整することで、セル11の温度が一定に保たれる。
[特徴および効果]
本実施形態の燃料電池20の特徴は、実施形態1の膜−電極接合体10を備えるところにある。すなわち、燃料電池20が備える膜−電極接合体10は、典型例として図1に示したように、膜部5と枠部6を有する略矩形板状の芯材1を有し、芯材1の膜状部分を中心として、その主面の両側に形成された高分子電解質層2と、高分子電解質層2の外側に形成された触媒層3と、触媒層3の外側に形成されたガス拡散層4と、を有する。
Next, the flow of internal cooling water and generation of heat will be described. In order to efficiently generate an electrochemical reaction in the fuel cell 20, it is necessary to keep the temperature of the
[Features and effects]
The feature of the fuel cell 20 of the present embodiment is that the membrane-
すなわち、本実施形態の燃料電池20の第1の特徴は、膜−電極接合体10において、芯材1の枠部6が膜部5よりも厚く形成されているところにある。これにより、枠部6をセパレータで挟んで固定した場合に、高分子電解質膜を直接挟んで固定する場合に比べ、強度や耐久性が飛躍的に向上する。同時に、枠部6が厚みを有することで、枠部6自体がスペーサとしての役割を果たすことができる。よって、ガスケット等のスペーサが不要となり、構造を単純化できる。また、芯材1の枠部6を接合部分としてセパレータ等と積層すれば、スタック形成時の接合部分の押圧が枠部6に集中する。これにより、高分子電解質層2や触媒層3、ガス拡散層4に接合部分の圧力がかかることがない。よって、セパレータとガス拡散層4との接触面を平面状にすれば、ガスや電極反応の分布を均等化できる。さらに、枠部6と膜部5は一体に形成されているので、長期間経過しても、塑性変形と応力緩和(クリープ)によるゆるみが生じにくい。また、かかる構成では、枠部6とセパレータとの間にかみ合わせ部位を配設することが可能となり、ガスケットで単純に膜を挟持する場合に比べてシール性も向上することが期待される。
That is, the first feature of the fuel cell 20 of the present embodiment is that in the membrane-
本実施形態の燃料電池20の第2の特徴は、膜−電極接合体10において、ガス拡散層4が高分子電解質層2や触媒層3よりも大きいことにある。これにより、高分子電解質層2の全面がプロトン輸送に関与することになり、高分子電解質の利用効率が向上する。また、触媒層3の全面が電極反応に関与することになり、触媒(白金等)の利用効率が向上する。
The second feature of the fuel cell 20 of the present embodiment is that the
本実施形態の燃料電池20の第3の特徴は、膜−電極接合体10において、膜部5の両面全面に高分子電解質層2を形成し、さらに高分子電解質層2の全面に触媒層3を形成するところにある。これにより、枠部6と触媒層3の間に隙間がなくなる。よって、反応ガスの短絡や回り込みを防止できる。したがって、燃料の利用効率が向上する。
The third feature of the fuel cell 20 of the present embodiment is that in the membrane-
以上の特徴を考慮すれば、本実施形態の燃料電池20により、燃料電池および燃料電池の長寿命化や、燃料および触媒の利用効率向上が期待される。
[変形例]
本実施形態の燃料電池20は、燃料供給装置(水素生成装置)、酸化剤供給装置、内部冷却水循環装置等を備えた燃料電池システムとして構成してもよい。
Considering the above characteristics, the fuel cell 20 of the present embodiment is expected to extend the life of the fuel cell and the fuel cell and improve the utilization efficiency of the fuel and the catalyst.
[Modification]
The fuel cell 20 of this embodiment may be configured as a fuel cell system including a fuel supply device (hydrogen generation device), an oxidant supply device, an internal cooling water circulation device, and the like.
本発明の膜−電極接合体および燃料電池は、高い強度を有する膜−電極接合体、およびこれを利用した燃料電池として有用である。 The membrane-electrode assembly and fuel cell of the present invention are useful as a membrane-electrode assembly having high strength and a fuel cell using the same.
1 芯材
1a 透孔
2 高分子電解質層
3 触媒層
4 ガス拡散層
5 膜部
6 枠部
7 セパレータ
8 高分子電解質
9a 凹部
9b 凹部
10 膜−電極接合体
11 セル
12 端板
20 燃料電池
30 有孔フィルム
31 枠シート
96 カソードセパレータ
97 アノードセパレータ
98 酸化剤ガス流路
99 燃料ガス流路
100a,100b 内部冷却水流路
101a 酸化剤ガス供給マニフォールド孔
101b 酸化剤ガス排出マニフォールド孔
102a 燃料ガス供給マニフォールド孔
102b 燃料ガス排出マニフォールド孔
103a 内部冷却水供給マニフォールド孔
103b 内部冷却水排出マニフォールド孔
104 ボルト孔
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記膜部の両面に形成された高分子電解質層と、
前記高分子電解質層の外側に形成された触媒層と、
前記触媒層の外側に形成されたガス拡散層と、を有する、膜−電極接合体。 A core material having a through hole communicating with both sides of the film part and having the film part filled with a polymer electrolyte in the through hole, and a frame part thicker than the film part;
A polymer electrolyte layer formed on both surfaces of the membrane part;
A catalyst layer formed outside the polymer electrolyte layer;
And a gas diffusion layer formed outside the catalyst layer.
セパレータと、を備え、
前記膜−電極接合体と、前記セパレータとが積層されている、燃料電池。 A core having a membrane portion filled with a polymer electrolyte, a frame portion thicker than the membrane, a polymer electrolyte layer formed on both surfaces of the membrane, and the polymer electrolyte layer A membrane-electrode assembly having a catalyst layer formed on the outside and a gas diffusion layer formed on the outside of the catalyst layer;
A separator,
A fuel cell in which the membrane-electrode assembly and the separator are laminated.
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