JP2007066769A - 電解質膜−電極接合体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 前記電解質膜−電極接合体(100)の厚さ方向に対して、前記接着層(131aおよび131c)の面方向内端部は前記ガスケット層(132aおよび132c)の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記接着層(131aおよび131c)の一部は前記ガス拡散層(122aおよび122c)の一部と重なるように位置する電解質膜−電極接合体。
【選択図】 図1
Description
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード側触媒層および前記カソード側触媒層の面方向端部を超えて前記カソード側触媒層上に形成されたカソード側ガス拡散層を含むカソード側電極と、
前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード側触媒層および前記アノード側触媒層の面方向端部を超えて前記アノード側触媒層上に形成されたアノード側ガス拡散層を含むアノード側電極と、
前記電解質膜上の前記カソード側触媒層周囲部の少なくとも一部に配置されたカソード側接着層と、
前記電解質膜上の前記アノード側触媒層周囲部の少なくとも一部に配置されたアノード側接着層と、
前記カソード側接着層と接して配置されるカソード側ガスケット層と、
前記アノード側接着層と接して配置されるアノード側ガスケット層と、を有する電解質膜−電極接合体であって、
前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記アノード側接着層の面方向内端部は前記アノード側ガスケット層の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記アノード側接着層の一部は前記アノード側ガス拡散層の一部と重なるように位置し、かつ、
前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記カソード側接着層の面方向内端部は前記カソード側ガスケット層の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記カソード側接着層の一部は前記ガス拡散層の一部と重なるように位置する電解質膜−電極接合体により上記課題を解決する。
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード側触媒層および前記カソード側触媒層の面方向端部を超えて前記カソード側触媒層上に形成されたカソード側ガス拡散層を含むカソード側電極と、
前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード側触媒層および前記アノード側触媒層の面方向端部を超えて前記アノード側触媒層上に形成されたアノード側ガス拡散層を含むアノード側電極と、
前記電解質膜上の前記カソード側触媒層周囲部の少なくとも一部に配置されたカソード側接着層と、
前記電解質膜上の前記アノード側触媒層周囲部の少なくとも一部に配置されたアノード側接着層と、
前記カソード側接着層と接して配置されるカソード側ガスケット層と、
前記アノード側接着層と接して配置されるアノード側ガスケット層と、を有する電解質膜−電極接合体であって、
前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記アノード側接着層の面方向内端部は前記アノード側ガスケット層の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記アノード側接着層の一部は前記アノード側ガス拡散層の一部と重なるように位置し、かつ、
前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記カソード側接着層の面方向内端部は前記カソード側ガスケット層の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記カソード側接着層の一部は前記ガス拡散層の一部と重なるように位置する電解質膜−電極接合体である。
大きさが大きい方の前記アノード側ガス拡散層または前記カソード側ガス拡散層の面方向端部を、前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、もう一方の前記アノード側ガス拡散層または前記カソード側ガス拡散層の面方向端部を超えて終結するのが好ましい。
前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側触媒層側との間に前記カソード側ガス拡散層よりも平均気孔径が小さいカソード側第二ガス拡散層が配置されてなり、前記カソード側触媒層および前記カソード側第二ガス拡散層の合計厚さと、前記カソード側接着層の厚さとが概ね等しくする形態が挙げられる。
本発明の電解質膜−電極接合体に用いられる電解質膜としては、特に限定されず、プロトン伝導性を有する電解質からなる膜が挙げられる。例えば、デュポン社製の各種のナフィオン(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質膜や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている高分子電解質膜、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された高分子微多孔膜にリン酸やイオン性液体等などの液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記電解質膜に用いられる電解質と、各触媒層に用いられる電解質とは、同じであっても異なっていてもよい。
まず、アノードおよびカソードにそれぞれ用いられる触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含む。
ガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。
また、撥水性をより向上させるために、触媒層とガス拡散層との間に前記ガス拡散層よりも小さい平均気孔径を有する第二ガス拡散層が配置されてもよい。
接着層は、電極の面方向端部から外側に向かって電解質膜上に配置される。接着層は、電解質膜の周縁部上の少なくとも一部に形成されればよいが、ガスケット層やガス拡散層との接着性を確保することを考慮すると、接着層が電極を取り囲むようにして電解質膜の全周縁部上に額縁状に形成されることが好ましい。
ガスケット層は、電極の面方向端部から外側に向かって接着層と接触して配置される。ガスケット層は、接着層の少なくとも一部と接触して配置されればよいが、電解質膜−電極接合体のガスシール性を考慮すると、ガスケット層が電極を取り囲むようにして電解質膜の全周縁部上に額縁状に形成されることが好ましい。
シール用凸部は、セパレータと電解質膜−電極接合体とのシール性を確保できる材料であれば特に制限されないが、例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが好ましく挙げられる。これらの材料であれば、電解質膜−電極接合体とセパレータとを密着させることができガスシール性が向上する。
前記電解質膜上の前記アノード側触媒層周囲部の少なくとも一部にアノード側接着層およびアノード側ガスケット層を形成し、前記電解質膜上の前記カソード側触媒層周囲部にカソード側接着層およびカソード側ガスケット層を形成する工程(B)と、
前記アノード側触媒層上にアノード側ガス拡散層を形成し、前記カソード側触媒層上にカソード側ガス拡散層を形成する工程(C)と、を有し、
前記アノード側接着層の面方向内端部は前記アノード側ガスケット層の面方向内端部を超えた内側となるように形成し、前記アノード側接着層の一部は前記アノード側ガス拡散層の一部と重なるように形成し、かつ、
前記カソード側接着層の面方向内端部は前記カソード側ガスケット層の面方向内端部を超えた内側となるように形成し、前記カソード側接着層の一部は前記カソード側ガス拡散層の一部と重なるように形成する、電解質膜−電極接合体の製造方法である。
電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記カソード側接着層の面方向内端部は前記カソード側ガスケット層の面方向内端部を超えた内側となるように形成し、前記カソード側接着層の一部は前記カソード側ガス拡散層の一部と重なるように形成するのが好ましい。
110…電解質膜、
120a…アノード側電極、
120c…カソード側電極、
121a…アノード側触媒層、
121c…カソード側触媒層、
122a…アノード側ガス拡散層、
122c…カソード側ガス拡散層、
123a…アノード側第二ガス拡散層、
123c…カソード側第二ガス拡散層、
131a…アノード側接着層、
131c…カソード側接着層、
132a…アノード側ガスケット層、
132c…カソード側ガスケット層、
140a…アノード側シール用凸部、
140c…カソード側シール用凸部。
Claims (14)
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード側触媒層および前記カソード側触媒層の面方向端部を超えて前記カソード側触媒層上に形成されたカソード側ガス拡散層を含むカソード側電極と、
前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード側触媒層および前記アノード側触媒層の面方向端部を超えて前記アノード側触媒層上に形成されたアノード側ガス拡散層を含むアノード側電極と、
前記電解質膜上の前記カソード側触媒層周囲部の少なくとも一部に配置されたカソード側接着層と、
前記電解質膜上の前記アノード側触媒層周囲部の少なくとも一部に配置されたアノード側接着層と、
前記カソード側接着層と接して配置されるカソード側ガスケット層と、
前記アノード側接着層と接して配置されるアノード側ガスケット層と、を有する電解質膜−電極接合体であって、
前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記アノード側接着層の面方向内端部は前記アノード側ガスケット層の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記アノード側接着層の一部は前記アノード側ガス拡散層の一部と重なるように位置し、かつ、
前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記カソード側接着層の面方向内端部は前記カソード側ガスケット層の面方向内端部を超えて内側に位置し、前記カソード側接着層の一部は前記ガス拡散層の一部と重なるように位置する電解質膜−電極接合体。 - 前記アノード側接着層の面方向内端部と、前記カソード側接着層の面方向内端部とは、電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して異なる位置で終結する請求項1記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記アノード側触媒層および前記カソード側触媒層の何れか一方の大きさは、もう一方の前記アノード側触媒層または前記カソード側触媒層の大きさよりも大きく、かつ、
大きさが大きい方の前記アノード側触媒層または前記カソード側触媒層の面方向端部は、前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、もう一方の前記アノード側触媒層または前記カソード側触媒層の面方向端部を超えて終結する請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記アノード側触媒層の大きさが、カソード側触媒層の大きさよりも大きく、かつ、
アノード側触媒層の面方向端部が、前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、前記カソード触媒層の面方向端部を超えて終結する請求項3に記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記アノード側接着層の面方向内端部と前記アノード側触媒層の面方向端部とが密着し、および/または、前記カソード側接着層の面方向内端部と前記カソード側触媒層の端部とが密着している請求項1〜4のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記アノード側接着層の面方向内端部と前記アノード側触媒層の面方向端部とが前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して重なる、および/または、前記カソード側接着層の面方向内端部と前記カソード側触媒層の面方向端部とが前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して重なる請求項5に記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記アノード側ガス拡散層および前記カソード側ガス拡散層の何れか一方の大きさは、もう一方の前記アノード側ガス拡散層または前記カソード側ガス拡散層の大きさよりも大きく、かつ、
大きさが大きい方の前記アノード側ガス拡散層または前記カソード側ガス拡散層の面方向端部は、前記電解質膜−電極接合体の厚さ方向に対して、もう一方の前記アノード側ガス拡散層または前記カソード側ガス拡散層の面方向端部を超えて終結する請求項1〜6のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記アノード側触媒層と前記アノード側接着層との厚さが概ね等しく、および/または、前記カソード側触媒層と前記カソード側接着層の厚さが概ね等しい請求項1〜7のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体。
- 前記アノード側ガス拡散層と前記アノード側触媒層側との間に前記アノード側ガス拡散層よりも平均気孔径が小さいアノード側第二ガス拡散層が配置されてなり、前記アノード側触媒層および前記アノード側第二ガス拡散層の合計厚さと、前記アノード側接着層の厚さとが概ね等しく、および/または、
前記カソード側ガス拡散層と前記カソード側触媒層側との間に前記カソード側ガス拡散層よりも平均気孔径が小さいカソード側第二ガス拡散層が配置されてなり、前記カソード側触媒層および前記カソード側第二ガス拡散層の合計厚さと、前記カソード側接着層の厚さとが概ね等しい、請求項1〜7のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体。 - 前記アノード側ガスケット層および前記カソード側ガスケット層のうち少なくとも一方に、シール用の凸部が配置される請求項1〜9のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池。
- 電解質膜の一方の側にアノード側触媒層を、もう一方の側にカソード側触媒層をそれぞれ形成する工程(A)と、
前記電解質膜上の前記アノード側触媒層周囲部の少なくとも一部にアノード側接着層およびアノード側ガスケット層を形成し、前記電解質膜上の前記カソード側触媒層周囲部にカソード側接着層およびカソード側ガスケット層を形成する工程(B)と、
前記アノード側触媒層上にアノード側ガス拡散層を形成し、前記カソード側触媒層上にカソード側ガス拡散層を形成する工程(C)と、を有し、
前記アノード側接着層の面方向内端部は前記アノード側ガスケット層の面方向内端部を超えた内側となるように形成し、前記アノード側接着層の一部は前記アノード側ガス拡散層の一部と重なるように形成し、かつ、
前記カソード側接着層の面方向内端部は前記カソード側ガスケット層の面方向内端部を超えた内側となるように形成し、前記カソード側接着層の一部は前記カソード側ガス拡散層の一部と重なるように形成する、電解質膜−電極接合体の製造方法。 - 前記工程(A)、前記工程(B)、および/または、前記工程(C)において得られる少なくとも一つの積層体について、ホットプレスが行われる請求項12に記載の電解質膜−電極接合体の製造方法。
- 前記アノード側ガスケット層上および前記カソード側ガスケット層上のうち少なくとも一方に、シール用の凸部を設ける工程(D)をさらに有する請求項12または13に記載の電解質膜−電極接合体の製造方法。
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