JP2007287487A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質型燃料電池に関する。特に、吸水性に優れた固体電解質膜およびその作成方法に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell. In particular, the present invention relates to a solid electrolyte membrane excellent in water absorption and a method for producing the same.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が移動体用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、燃料電池自動車から携帯機器(例えば、携帯電話、携帯情報端末、携帯音楽プレイヤー、ノート型パソコンなど)までの各種移動体用の電源として期待されている。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as mobile power sources and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature, so it is used for various mobile objects from fuel cell vehicles to portable devices (for example, mobile phones, personal digital assistants, portable music players, notebook computers, etc.). Is expected as a power source.
こうした固体高分子型燃料電池の単セル構成は、一般的には、MEAをセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、電解質膜(以下、単に膜とも称する。)が一対の電極(アノード電極およびカソード電極)により挟持されてなるものである。ここで電極は、通常、電極触媒層(以下、単に触媒層とも称する。)、更にはガス拡散層(以下、単にGDLとも称する。)が積層されてなる構造を備えてなるものである。詳しくは、膜の両面に触媒層、GDLの順に配されてなるのが一般的である。さらに、燃料電池の単セル(セルユニット)構成では、単セルの外周部(エッジ)からの微量リークやクロスリークを防止する為に該外周部(エッジ)をシールするために、膜の両側(カソード側及びアノード側)の電極、GDLが形成されている部分の外周部に額縁状のガスケット層がそれぞれ配置された構成となっている。 In general, the unit cell configuration of such a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching an electrolyte membrane (hereinafter also simply referred to as a membrane) between a pair of electrodes (an anode electrode and a cathode electrode). Here, the electrode usually has a structure in which an electrode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as a catalyst layer) and a gas diffusion layer (hereinafter also simply referred to as GDL) are laminated. Specifically, the catalyst layer and the GDL are generally arranged on both sides of the membrane in this order. Furthermore, in the single cell (cell unit) configuration of the fuel cell, both sides of the membrane (in order to seal the outer periphery (edge) in order to prevent a minute leak or cross leak from the outer periphery (edge) of the single cell. A frame-like gasket layer is arranged on the outer peripheral portion of the portion where the electrode and GDL are formed on the cathode side and the anode side.
特許文献1には、固体高分子電解質をガス拡散層(GDL)で挟み、ホットプレスをすることにより固体高分子電解質とGDLを一体化する技術が開示されている。
また、特許文献2には、多孔質電極板(GDL)をカーボンセパレータに炭化性接着材で接着させ、600℃の高温で焼成を行うことで燃料電池用炭素質部材を製造する方法についての記載している。
しかしながら、特許文献1に記載のように、ホットプレスを行い、ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)と触媒層付き電解質膜(CCM:Catalyst Coated Membrane)を一体化すると膜の吸水性が低下し、性能が低下する。一方、ガス拡散層と触媒層付き電解質膜を一体化しないとセル組みが複雑となる問題があった。
However, as described in
また、特許文献2に記載の構成では、接着剤をカーボンセパレータ全面に塗布する為、接着剤がカーボンセパレータの流路に詰まらないように、600℃の高温で散失する物質を多孔質電極板またはカーボンセパレータに含浸し、ホットプレス時に散失させGDLとセパレータとを接着させている。従って、ホットプレスにより膜の吸水性が低下し、性能が低下する。一方、GDLとCCMを一体化しないとセル組みが複雑となる問題があった。 Further, in the configuration described in Patent Document 2, since the adhesive is applied to the entire surface of the carbon separator, a substance that is scattered at a high temperature of 600 ° C. is used to prevent the adhesive from clogging the flow path of the carbon separator. The carbon separator is impregnated and dispersed during hot pressing to bond the GDL and the separator. Accordingly, the water absorption of the film is lowered by hot pressing, and the performance is lowered. On the other hand, if GDL and CCM are not integrated, there is a problem that the cell assembly becomes complicated.
そこで、本発明は、電解質膜の吸水性を低下することなく、性能低下も防ぐことができ、更にセル組みを簡易化できる固体電解質型燃料電池(高分子電解質型燃料電池、ないし固体高分子電解質型燃料電池ともいう)を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a solid electrolyte fuel cell (a polymer electrolyte fuel cell or a solid polymer electrolyte) that can prevent performance degradation without reducing the water absorption of the electrolyte membrane, and can further simplify the cell assembly. Type fuel cell).
そこで、本発明は、セパレータとGDLとをセパレータのガス流路より外縁部で接着材にて接着して組み付けてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池により上記目的達成することができる。 Accordingly, the present invention can achieve the above object by a solid oxide fuel cell characterized in that the separator and the GDL are assembled by bonding them with an adhesive at the outer edge part from the gas flow path of the separator.
本発明によれば、固体電解質燃料電池においてセパレータとGDLとをセパレータのガス流路より外縁部で接着材にて接着するようにして、CCMとのセル組み付けが行われているので膜の吸水性を低下させず、セル組み付け工程が簡易化でき、高品質な燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, in the solid electrolyte fuel cell, the separator and the GDL are bonded to each other by the adhesive at the outer edge portion from the gas flow path of the separator, and the cell is assembled with the CCM. The cell assembling process can be simplified and a high quality fuel cell can be provided.
本発明に係る固体電解質型燃料電池は、セパレータとGDLを接着して組み付けてなることを特徴とするものである。セル組み時にGDLをセパレータ側に軽く接着させることで、CCMとのセル組みを簡易化することができ高品質な電池を提供することができ、性能低下を防ぐこともできる点で優れている。 The solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized in that a separator and GDL are bonded and assembled. By lightly adhering GDL to the separator side when assembling the cells, it is excellent in that the cell assembly with the CCM can be simplified, a high-quality battery can be provided, and performance degradation can be prevented.
以下、本発明の燃料電池につき、好適な実施形態を図1〜6を参照して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の説明を行うため、従来の燃料電池の技術例の断面を図1に、本発明の燃料電池の構成を図2〜5に示す。図6に本発明の電池特性を示す。以下に図を元に本発明の実施形態および実施例を概説する。 In order to describe the present invention, FIG. 1 shows a cross-section of a technical example of a conventional fuel cell, and FIGS. 2 to 5 show the configuration of the fuel cell of the present invention. FIG. 6 shows the battery characteristics of the present invention. Embodiments and examples of the present invention will be outlined below with reference to the drawings.
[I] 第一実施形態
図1は、従来の燃料電池の構成図である。図1の従来の単位燃料電池(燃料電池セル)10では、電解質膜100の両面にアノード(燃料極)及びカソード(空気極)触媒層111a、111bが接合されてなる膜電極接合体(MEA)110が設けられている。このMEA110の外側両面にはカーボンペーパーやカーボンクロス等のアノード及びカソードGDL112a、112bが配置されている。その外側両面には緻密で導電性のアノード及びカソードセパレータ120a、120bが配置されている。該アノード及びカソードセパレータ120a、120bの内部に設けられたアノード側水素含有ガス(H2ガス)流路(溝)121a、カソード側酸素含有ガス(Airガス)流路(溝)121bを通じて、水素含有ガス(以下、単にH2とも略記する。)及び酸素含有ガス(以下、単にAirとも略記する。)がアノード側及びカソード側のGDL112a、112b、触媒層111a、111bにそれぞれ供給される。そして、ガスが外部へ漏洩することを防止するために電解質膜100外周部とセパレータ120a、120b外周部との間に(アノード側及びカソード側の保護シート150a、150b)ガスケット130a、130bがそれぞれ配置されている。
[I] First Embodiment FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional fuel cell. In the conventional unit fuel cell (fuel cell) 10 of FIG. 1, a membrane electrode assembly (MEA) in which an anode (fuel electrode) and cathode (air electrode)
図2は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池の構成を表す断面図であって、その全体の上面図(セパレータを透過して流路とガスケットと接着部の位置関係が明確になるように表したもの)が図3に示されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, and is a top view of the whole (the positional relationship between the flow path, the gasket, and the bonding portion is clarified through the separator). 3) is shown in FIG.
図2、3に示すように、本発明の第一実施形態に係る単位燃料電池(燃料電池セル)10の基本的な燃料電池の構成は、図1の従来の燃料電池の構成と同様であるが、本発明では、さらにアノード及びカソードGDL112a、112bをアノード及びカソードセパレータ120a、120bのH2ガス流路121a及びAirガス流路121b外部に接着するようにアノード及びカソード接着部140a、140bがそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。以下、当該接着部を中心に各構成要件を説明する。図3では、アノード側とカソード側の基本的な構成が同じである為、アノード側とカソード側の区別なく、セパレータ120、ガス流路(溝)121、ガスケット130、接着部140として表している。以下の各構成要件の説明においても、特に区別する必要がある場合を除いて、アノード側とカソード側の区別なく、触媒層111、GDL112、セパレータ120、ガス流路(溝)121、ガスケット130、接着部140、保護シート150、ガイド160として表している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the basic fuel cell configuration of the unit fuel cell (fuel cell) 10 according to the first embodiment of the present invention is the same as that of the conventional fuel cell of FIG. However, in the present invention, the anode and cathode bonding
(1)接着部
上記接着部140は、セル組み時にGDL112をセパレータ120側に軽く接着させることで、CCM(MEA)110とのセル組みを簡易化させ、性能低下を防ぐことを目的として形成されてなるものである。
(1) Bonding part The bonding
上記接着部140の形成部位としては、上記接着部の形成目的から、GDL112とセパレータ120の張り合わせ(積層面)であって、ガス流路121、ガスケット130、更には保護シート150の構成部材の特性を損なわない位置であれば特に制限されるものではない。
The bonding
具体的には、図2に示すように、単位燃料電池(燃料電池セル)10の厚さ方向での接着箇所としては、アノード側のGDL112aとセパレータ120a、さらカソード側のGDL112bとセパレータ120bの双方に接着部140a、140bを形成するのがセル組みを簡易化の観点から特に望ましい。すなわち、前記セパレータ120と前記GDLとの接着部140は、アノードセパレータ120aとアノードGDL112aとの間、およびカソードセパレータ120bとカソードGDL112bとの間のそれぞれに形成されているのが望ましい。接着面はアノード、カソードのセパレータのそれぞれに行うのでセル組み付け工程がさらに簡易化出来るためである。ただし、いずれか一方の側だけでも、従来よりもセル組みを簡易化及び性能低下を防ぐ上では、有効である。
Specifically, as shown in FIG. 2, the unit fuel cell (fuel cell) 10 is bonded to the
また、接着部140のアノード及びカソードのそれぞれの面内方向での配置(接着箇所)としては、特に制限されるものではなく、セパレータ120のガス流路121外部(外周部分)の全部または一部に接着部140を形成すればよい。好ましくは、図3に示すように、CCM(MEA)120とのセル組みの際に、接着固定されたGDL112とセパレータ120とが一体化され、取り扱い性に優れるように、前記セパレータ120と前記GDL112との接着部140は、セパレータ120のガス流路121より外縁部にあることが望ましい。これにより、固体電解質燃料電池において、セパレータ120とGDL112との接着面はガス流路121より外にあるのでガスの流れを阻害することなく、組み付けを行う事が出来る点で優れている。詳しくはセパレータ120のガス流路121外部(外縁部ないし外周部)に複数箇所、好ましくはセパレータ120の4辺のガス流路121外部に形成しておくのが望ましい。これは、GDL112とセパレータ120の接合体を取り扱う際に、振動やたわみや捩れが加わっても当該接着部140が剥離して、GDL112とセパレータ120がズレたりするのをより効果的に防止できる為である。ただし、接着部140が1箇所のみであっても、接着後からセル組み付けまで比較的安定に移動・搬送し得る場合など、その取り扱い方によっては、十分にその目的を達成し得る場合もある。
In addition, the arrangement (adhesion location) in the in-plane direction of each of the anode and the cathode of the
また、GDL112とセパレータ120を接着して固定させる際の接着部140の各配置(各接着箇所)は、図3に示すような面接着であってもよいし、点接着であってもよい。ここで、面接着と点接着とは、例えば、セパレータ120の1つの辺の一端から他端まで、ほぼ全域にわたって連続した接着部140とするものを面接着とし(図3B参照)、かかる1つの辺の一端から他端まで、2以上の接着部140を非連続的に点在して形成(配置)させている場合には、点接着とする(図3A参照)。好ましくは、前記セパレータと前記GDLとの接着箇所は、複数の面接着もしくは点接着であることが望ましい。接着箇所を複数の面接着もしくは点接着とすることで、使用する接着剤の使用量を低減することが出来る点で優れている。ただし、セパレータ120のガス流路121外部(外縁部ないし外周部)全面に接着剤を塗布してもよいなど、特に制限されるものではない。
Moreover, each arrangement | positioning (each adhesion location) of the
また、セパレータ120とGDL112の(接着部140の)接着剤の厚さは、接着量が多すぎるとGDL112内に接着剤が含浸され、ガス拡散性の阻害を引き起こすおそれがあることと、接着量不足による接着の剥離を引き起こすおそれがあることを考慮し、適宜決定すればよい。具体的には、0.1mm以下、望ましくは0.05mm以上0.1mm以下である。なお、当該接着剤の厚さは、接着剤をGDL上に塗布する際の厚さをいうものとする。また、当該接着剤の厚さは、GDL112内部に含浸されている部分は含まないものとする。上記接着量は、単位面積当たりの接着剤の塗布量を言うものとする。上記接着剤の厚さのほか、接着剤を塗布後、セパレータとGDLを張り合わせる際に、接着剤の面内方向への広がりによるガス流路やガスケット設置面への侵入防止の観点から、GDL(又はセパレータ)上への塗布量と塗布位置を決定するのが望ましい。
Further, the thickness of the adhesive between the
上記接着部140に用いることのできる接着剤としては、本発明の作用効果を有効に発揮することができるものであれば特に制限されるものではない。例えば、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリエステル系接着剤、ポリオレフィン(例えば、ポリプロピレンなど)等のオレフィン系接着剤等を用いることができる。セパレータとGDLの接着に用いられてなる接着剤は、エポキシ系接着剤であるのが望ましい。接着剤にエポキシ系接着剤を用いることで接着を行うセパレータとの密着性がよく、耐熱性に優れるため、高温使用時での接着剤溶出を防止し、接着を剥がれにくくすることができるためである。また燃料電池の運転時やこれを搭載する車両の走行時などに加わる当該接着部への振動や衝撃に対する耐振性や耐衝撃性などにも優れるため、車両搭載用燃料電池として優れた耐久性を発揮することができる点でも優れている。
The adhesive that can be used for the
セパレータ120とGDL112の接着箇所(接着部140)への接着剤の塗布(コーティング)方法としては、ロールコーティング法、カーテンコーティング法、押し出しコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などの方法を用いて行うことができる。好ましくは、前記接着箇所(接着部140)に塗布される接着剤は、スプレーコーティング法を用いて行われてなることが望ましい。スプレーコーティング法を用いて行うことで、接着面積や接着量を容易に制御でき、正確な位置に接着剤を塗布する事が出来るためである。
As a method for applying an adhesive to a bonding portion (bonding portion 140) between the
(2)電解質膜100
本発明の燃料電池に用いられる電解質膜100としては、特に限定されず公知の高分子電解質からなる膜を用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。具体的には、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質、などが挙げられる。
(2)
The
前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−SO3H、−COOH、−PO(OH)2、−POH(OH)、−SO2NHSO2−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH2、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’+、−NH3 +等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.
前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the electrolyte that is a fluorine-based polymer and has an ion exchange group include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, Asahi Glass). Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, Suitable examples include ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymer, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymer.
前記炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質としては、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon polymer having an ion exchange group include a polysulfone sulfonic acid polymer, a polyether ether ketone sulfonic acid polymer, a polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, and a polybenzimidazole. Suitable examples include alkylphosphonic acid polymers, cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, and polyether sulfone sulfonic acid polymers.
電解質膜1の材質は、高いイオン交換能を有し、化学的耐久性・力学的耐久性、などに優れることから、前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた電解質を用いるのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)などがより好ましく利用できる。
Since the material of the
また、デュポン社製の各種のNafion(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固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に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。または、上記電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、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多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。 In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. Alternatively, the electrolyte membrane may be made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte or a membrane made of a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group. You may use what formed the porous thin film impregnated with electrolyte components, such as phosphoric acid and an ionic liquid.
電解質膜1の膜厚は、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよい。好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmである。電解質膜の膜厚が5μm以上であると製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の点から好ましく、300μm以下であると燃料電池作動時の出力特性の点から好ましい。
The thickness of the
前記電解質膜の大きさは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよい。この際、電解質膜の外周部をガスケット構造体(図示せず)で代替してもよい。この場合には、膜の節約が出来る点で優れている。これは、例えば、自動車燃料電池用の燃料電池の価格は1億円以上ともいわれ、量産化によるコスト低減効果だけでは、現状のガソリンエンジン自動車並みの価格にするのは困難であるといわれている。そこで、燃料電池の性能の向上と共に、コスト低減に寄与する部品や構造の開発が重要なテーマになっている。このことは燃料電池を構成する膜に関しても言える課題の1つであり、特に高性能膜の1つであるフッ素系樹脂製膜では、低コスト化が大きなテーマである。そのため、既存の安価な樹脂シートであるPEN、PET、PTFEなどが利用できるガスケット構造体でMEAのエッジ領域部分の膜を代替することは大幅なコスト低減効果が得られる点で極めて優れたエッジ構造であるといる。 The size of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell. At this time, the outer periphery of the electrolyte membrane may be replaced with a gasket structure (not shown). In this case, it is excellent in that the film can be saved. For example, the price of a fuel cell for an automobile fuel cell is said to be 100 million yen or more, and it is said that it is difficult to achieve a price comparable to that of a current gasoline engine car only by the cost reduction effect by mass production. . Therefore, development of parts and structures that contribute to cost reduction as well as improvement of fuel cell performance has become an important theme. This is one of the problems that can be said with respect to the membrane constituting the fuel cell. In particular, in the fluorine-based resin membrane that is one of the high-performance membranes, cost reduction is a major theme. Therefore, replacing the membrane in the edge region of MEA with a gasket structure that can use the existing inexpensive resin sheets such as PEN, PET, PTFE, etc. makes it possible to obtain a significant cost reduction effect. It is said that.
なお、本発明では、燃料電池の酸素極及び燃料極の両電極間に介在される電解質成分を含有してなる構成部材を、電解質膜と称したが、決してその名称に拘泥されるものではなく、燃料電池に用いられる使用目的からみて、例えば、電解質層や電解質などと称される場合であっても、本発明でいう電解質膜に含まれる場合があることはいうまでもない。他の構成要件についても同様であり、その名称に拘泥されるものではなく、使用目的に照らしてその同一性を判断すればよい。 In the present invention, the constituent member containing the electrolyte component interposed between the oxygen electrode and the fuel electrode of the fuel cell is referred to as the electrolyte membrane, but is not limited to the name. From the viewpoint of the purpose of use used in the fuel cell, for example, even when it is referred to as an electrolyte layer or an electrolyte, it may be included in the electrolyte membrane referred to in the present invention. The same applies to the other component requirements, and the identity is not limited to the name, but the identity may be determined in light of the purpose of use.
(3)触媒層111
図1に示すように、アノード及びカソード側のいずれか一方における触媒層の大きさは、もう一方の触媒層の大きさよりも大きく、かつ前記触媒層の端部同士が厚さ方向で重ならないことが望ましい。特に、アノード触媒層の大きさを、カシード触媒層の大きさよりも大きくするのが望ましいといえる。これにより、上記起動停止/連続運転におけるカソード触媒の腐食、及びアイドル停止運転を想定したOCV保持時の電解質膜の分解抑制の点で優れているためである。
(3) Catalyst layer 111
As shown in FIG. 1, the size of the catalyst layer on either the anode or cathode side is larger than the size of the other catalyst layer, and the end portions of the catalyst layer do not overlap in the thickness direction. Is desirable. In particular, it can be said that it is desirable to make the size of the anode catalyst layer larger than the size of the CASED catalyst layer. This is because it is excellent in the point of corrosion of the cathode catalyst in the start / stop operation / continuous operation and the suppression of decomposition of the electrolyte membrane during the OCV holding assuming the idling stop operation.
電解質膜の両面(空気極側および燃料極側)にそれぞれ接合される触媒層の構成としては、いずれも(i)導電性担体に触媒粒子が担持されてなる触媒物質(以下、電極触媒ともいう)と、(ii)プロトン導電性を有する電解質(以下、バインダともいう)を含む。 As the structure of the catalyst layer bonded to both surfaces (air electrode side and fuel electrode side) of the electrolyte membrane, respectively, (i) a catalyst material in which catalyst particles are supported on a conductive carrier (hereinafter also referred to as an electrode catalyst). And (ii) an electrolyte having proton conductivity (hereinafter also referred to as a binder).
(i)電極触媒
電極触媒は、(a)触媒粒子が(b)導電性担体に担持されてなるものである。
(I) Electrocatalyst The electrode catalyst is obtained by supporting (a) catalyst particles on (b) a conductive carrier.
(a)触媒粒子
ここで、カソード触媒層に用いられる触媒粒子の成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒粒子の成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。
(A) Catalyst Particles The components of the catalyst particles used in the cathode catalyst layer are not particularly limited as long as they have a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. The components of the catalyst particles used in the anode catalyst layer are not particularly limited as long as they have a catalytic action for the hydrogen oxidation reaction, and known catalysts can be used in the same manner.
これら導電性担体に担持される触媒粒子の成分としては、具体的には、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、ケイ素、リン、チタン、銅、ゲルマニウム、セレン、ジルコニウム、すず、アンチモン、テルル、レニウム、金およびビスマスよりなる群から選択される1種、もしくは、この群から選択される少なくとも2種の合金を用いることができる。これらのうち、発電特性、耐久性、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。具体的には、白金、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、白金−ニッケル合金、白金−モリブデン合金、または白金−ルテニウム合金などが挙げられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒粒子の成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒粒子の成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。 Specific examples of the components of the catalyst particles supported on these conductive carriers include, for example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, One selected from the group consisting of molybdenum, gallium, aluminum, silicon, phosphorus, titanium, copper, germanium, selenium, zirconium, tin, antimony, tellurium, rhenium, gold and bismuth, or at least selected from this group Two types of alloys can be used. Of these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve power generation characteristics, durability, catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like. Specifically, platinum, a platinum-iron alloy, a platinum-cobalt alloy, a platinum-nickel alloy, a platinum-molybdenum alloy, a platinum-ruthenium alloy, or the like can be given. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used in the cathode catalyst layer and the catalyst particle component used in the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the descriptions of the components of the catalyst particles for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have the same definition for both, and are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.
上記触媒粒子の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒粒子と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒粒子は、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さ、比表面積に見合った触媒活性が得られるという観点から1nm以上であることが好ましい。触媒活性、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より得られる触媒粒子の粒子径の平均値を求めることにより得ることができる。 The shape and size of the catalyst particles are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst particles can be used, but the catalyst particles are preferably granular. At this time, the smaller the average particle size of the catalyst particles, the higher the effective electrode area in which the electrochemical reaction proceeds, so that the oxygen reduction activity is preferably high. However, if the average particle size is too small, the oxygen reduction activity is actually rather small. A decreasing phenomenon is observed. Accordingly, the average particle size of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, even more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading and catalytic activity corresponding to the specific surface area. From the viewpoint of catalyst activity and catalyst utilization, it is preferably 30 nm or less. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst particles obtained from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be obtained by obtaining.
(b)導電性担体
前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として機能する電子導電性を有しているものであればよい。導電性担体の材質としては、例えば、ケッチェンブラックTMまたはアセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛または人造黒鉛などのグラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉体、およびカーボンナノチューブなどの主成分がカーボンであるカーボン粒子が好ましい。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。
(B) Conductive carrier The conductive carrier is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has electronic conductivity that functions as a current collector. . Examples of the material of the conductive carrier include carbon black such as ketjen black TM or acetylene black, graphite such as activated carbon, coke, natural graphite or artificial graphite, mesocarbon microbeads, glassy carbon powder, and carbon nanotube. Carbon particles whose main component is carbon are preferred. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.
前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m2/g、より好ましくは80〜1200m2/gとするのがよい。前記比表面積が、20m2/g以上であると前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が向上し、十分な発電性能が得られる点で優れている。一方、1600m2/g以下であると触媒成分および高分子電解質の高い有効利用率を有効に保持することができる点で優れている。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. When the specific surface area is 20 m 2 / g or more, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive carrier is improved, which is excellent in that sufficient power generation performance can be obtained. On the other hand, when it is 1600 m 2 / g or less, the catalyst component and the polymer electrolyte are excellent in that a high effective utilization rate can be effectively maintained.
また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、導電性担体の平均一次粒子径は、2nm〜1μmが好ましく、より好ましくは5〜200nm、特に好ましくは10〜100nmである。平均一次粒子径が2nm以上であると有効な導電性ネットワークを形成するという点から好ましく、1μm以下であると触媒層の厚みを適切な範囲で制御できる点から好ましい。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the catalyst layer within an appropriate range, the average primary particle size of the conductive carrier. Is preferably 2 nm to 1 μm, more preferably 5 to 200 nm, and particularly preferably 10 to 100 nm. The average primary particle diameter is preferably 2 nm or more from the viewpoint of forming an effective conductive network, and 1 μm or less is preferable from the viewpoint that the thickness of the catalyst layer can be controlled within an appropriate range.
前記導電性担体に触媒粒子が担持された電極触媒において、触媒粒子の担持量は、電極触媒の全量に対して、5〜80質量%、好ましくは10〜75質量%、より好ましくは15〜70質量%、特に30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%以下であると、触媒成分の導電性担体上での優れた分散度を有効に保持することができ、担持量の増加に見合った発電性能の向上効果を有効に発現させることができ、高い耐久性を維持できる利点がある。また、前記担持量が、5質量%以上であると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の発電性能を得ることができる。そのため、所望の電池性能を確保するための担持量設計が比較的容易になし得る点で優れている。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。 In the electrode catalyst in which catalyst particles are supported on the conductive support, the supported amount of catalyst particles is 5 to 80% by mass, preferably 10 to 75% by mass, more preferably 15 to 70%, based on the total amount of the electrode catalyst. It is good to set it as the mass%, especially 30-70 mass%. When the supported amount is 80% by mass or less, it is possible to effectively maintain an excellent degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support, and to effectively improve the power generation performance corresponding to the increase in the supported amount. There is an advantage that it can be expressed and high durability can be maintained. Further, when the supported amount is 5% by mass or more, the catalyst activity per unit mass is excellent, and desired power generation performance corresponding to the supported amount can be obtained. Therefore, it is excellent in that the carrying amount design for ensuring the desired battery performance can be made relatively easily. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).
また、導電性担体への触媒粒子の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。 The catalyst particles can be supported on the conductive support by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.
(ii)電解質(バインダ)
本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、電解質が含まれる。触媒層に含まれるプロトン導電性を有する電解質は、三層界面を形成しえるように電極触媒の少なくとも一部を被覆しているのが好ましい。これにより、プロトン伝導性などを向上させるだけでなく、電極構造を安定して維持することができ、電極性能を高めることができる。前記電解質としては、特に限定されず、上記膜に用いたものと同様の高分子電解質が使用できる。前記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が、各触媒層と膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。
(Ii) Electrolyte (binder)
The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains an electrolyte in addition to the electrode catalyst. The electrolyte having proton conductivity contained in the catalyst layer preferably covers at least a part of the electrode catalyst so as to form a three-layer interface. Thereby, not only can proton conductivity be improved, but also the electrode structure can be stably maintained, and the electrode performance can be enhanced. The electrolyte is not particularly limited, and the same polymer electrolyte as that used for the membrane can be used. The electrolyte used for the membrane and the electrolyte used for each catalyst layer may be the same or different, but from the viewpoint of improving the adhesion between each catalyst layer and the membrane, the same one is used. Is preferred.
前記電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。すなわち、上述の電解質膜の項で記載した高分子電解質を好ましく用いることができる。例えば、Nafion溶液などのパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などからなるイオン交換樹脂が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体として、具体的には、炭素原子とフッ素原子のみからなる重合体だけではなく、水素原子が全てフッ素原子と置換されていれば酸素原子等を含有するものなどが挙げられ、CF2=CF2に基づく重合単位とCF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO3Hに基づく重合単位(式中、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1である。)とを含む共重合体などがある。 The electrolyte is not particularly limited and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. Electrolytes that can be used in this case are broadly classified into fluorine-based electrolytes containing fluorine atoms in all or part of the polymer skeleton and hydrocarbon-based electrolytes not containing fluorine atoms in the polymer skeleton. That is, the polymer electrolyte described in the above-mentioned section of the electrolyte membrane can be preferably used. For example, a perfluorosulfonic acid polymer proton conductor such as a Nafion solution, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, an organic partially substituted with a proton conductor functional group / Inorganic hybrid polymer, ion exchange resin made of proton conductor impregnated with phosphoric acid solution or sulfuric acid solution in polymer matrix. Specific examples of perfluorosulfonic acid polymer proton conductors include not only polymers composed of only carbon atoms and fluorine atoms, but also oxygen atoms if all hydrogen atoms are replaced with fluorine atoms. and the like, CF 2 = polymerized units based on CF 2 and CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m -O p - (CF 2) n -SO 3 polymerized units (in the formula based on H, X is fluorine An atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0 or 1.).
前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.
前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.
高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。 The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.
電解質と導電性担体との質量比は、順に、0.3:1〜1.3:1が好ましく、より好ましくは0.5:1〜1.1:1である。導電性担体質量に対して電解質成分である高分子電解質の質量比が0.3倍以上であると触媒層内の良好なイオン伝導性の点で好ましく、1.3倍以下であると触媒層内のガス拡散及び水の排出の点で好ましい。 The mass ratio of the electrolyte to the conductive carrier is preferably 0.3: 1 to 1.3: 1, more preferably 0.5: 1 to 1.1: 1 in order. From the viewpoint of good ionic conductivity in the catalyst layer, the mass ratio of the polymer electrolyte as the electrolyte component to the conductive carrier mass is preferably 0.3 times or more, and the catalyst layer is 1.3 times or less. It is preferable in terms of gas diffusion and water discharge.
上記触媒層には、さらに、撥水性高分子や、その他の各種添加剤が含まれていてもよい。撥水性高分子が含まれていることにより、得られる触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。撥水性高分子の混合量は、本発明の作用効果に影響を与えない範囲で適宜決定することができる。上述の撥水性高分子として例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレンもしくはこれらのモノマーの共重合体(例えば、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など)などのフッ素系の高分子材料などを用いることができる。その他の各種添加剤には、例えば、りん系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤などの各種酸化防止剤などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。 The catalyst layer may further contain a water repellent polymer and other various additives. By containing the water-repellent polymer, the water repellency of the resulting catalyst layer can be increased, and water generated during power generation can be quickly discharged. The mixing amount of the water-repellent polymer can be appropriately determined within a range that does not affect the function and effect of the present invention. Examples of the water-repellent polymer include polypropylene, polyethylene, or polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene, or a copolymer of these monomers (for example, tetrafluoroethylene-hexa Fluorine polymer materials such as a fluoropropylene copolymer can be used. Examples of other various additives include, but are not limited to, various antioxidants such as phosphorus antioxidants and phenolic antioxidants.
本発明における触媒層の厚さは、特に限定されないが、0.1〜100μmが好ましく、より好ましくは1〜20μmである。触媒層の厚さが0.1μm以上であると所望する発電量が得られる点で好ましく、100μm以下であると高出力を維持できる点で好ましい。 Although the thickness of the catalyst layer in this invention is not specifically limited, 0.1-100 micrometers is preferable, More preferably, it is 1-20 micrometers. When the thickness of the catalyst layer is 0.1 μm or more, it is preferable in that a desired power generation amount can be obtained, and when it is 100 μm or less, it is preferable in that a high output can be maintained.
(4)GDL112
GDL112は、電解質膜100の両側のアノード及びカソード触媒層111a、111b上にそれぞれ配置されてなるものである。具体的には、MEA(膜+触媒層)110をさらにセパレータ120と一体化したGDL112で挟持することで得ることができる。従来は、MEA(膜+触媒層)110をさらにGDL112で挟持し、これをホットプレスにより挟持・接合していたため、膜の吸水性が低下し、性能低下が引き起こされていた。本発明では、こうしたホットプレスを行わずとも、CCM(MEA)110とのセル組みを簡易に行うことができる点で優れている。
(4) GDL112
The GDL 112 is disposed on the anode and cathode catalyst layers 111a and 111b on both sides of the
本発明では、電解質膜100の両側のアノードGDL112a及びカソード112bの面積の大きさ(大小関係)は、図2に示すように、同じ面積(大きさ)にしてもよいし、アノードGDL112aの面積をカソードGDL112bの面積よりも小さくしてもよい。あるいは、逆にアノードGDL112aの面積をカソードGDL112bの面積よりも大きくなるようにしてもよい。好ましくは、アノードGDL112aの面積をカソードGDL112bの面積よりも小さくするのが望ましい構造である。
In the present invention, the size (size relationship) of the
GDL112と触媒層111との位置関係としては、GDL112と触媒層111の外周部端面が面一に揃うように、同じ面積に形成してもよいし、あるいは外周部端面が異なるように、GDL112よりも触媒層111の面積を大きくしてもよい。あるいは、逆にGDL112よりも触媒層111の面積を小さくなるようにして形成してもよい(図2、4参照)。特にガスケット構造体の一部として電解質膜100両面上の外周部(触媒層111よりも外周部分)に接着性のある保護シート層150を設けた場合には、該保護シート層150がGDL112とも接するように、触媒層111を小さくするのが望ましい(図2、4参照のこと)。
As for the positional relationship between the GDL 112 and the catalyst layer 111, the GDL 112 and the catalyst layer 111 may be formed in the same area so that the outer peripheral end faces thereof are flush with each other, or the outer peripheral end faces may be different from each other. Alternatively, the area of the catalyst layer 111 may be increased. Or you may form so that the area of the catalyst layer 111 may become smaller than GDL112 conversely (refer FIG. 2, 4). In particular, when the protective sheet layer 150 having adhesiveness is provided as a part of the gasket structure on the outer peripheral portion (outer peripheral portion than the catalyst layer 111) on both surfaces of the
GDL112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、(i)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。前記GDL112は、(ii)撥水性をより向上させるために、前記(i)のGDL(基材)上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(図示せず)を有するものであってもよい。 The GDL 112 is not particularly limited, and known materials can be used in the same manner. For example, (G) based on a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric. What is used as a material. The GDL 112 has (ii) a carbon particle layer (not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the GDL (base material) of (i) in order to further improve water repellency. It may be a thing.
(i)GDL(基材)
本発明の燃料電池において、触媒層111、GDL112、および電解質膜100の厚さは、燃料ガスの拡散性などを向上させるには薄い方が望ましいが、薄すぎると十分な電極出力が得られない。従って、所望の特性を有する燃料電池が得られるように適宜決定すればよい。かかる観点から、上記GDL(基材)の厚さは、得られるGDL(後述するMILを含む場合もある。)の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。GDL(基材)の厚さが30μm以上であれば、十分な機械的強度などが得られるため望ましい。一方、GDL(基材)の厚さが500μm以下であれば、ガスや水などが透過する距離が長くなり過ぎることも無く、良好なガス拡散性や水の拡散(排水)性を得ることができる点で優れている。
(I) GDL (base material)
In the fuel cell of the present invention, the thickness of the catalyst layer 111, the GDL 112, and the
前記GDL112は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記GDL(基材)に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、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)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The GDL 112 preferably contains a water repellent in the GDL (base material) for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, It is fluorine-type, such as a polytetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyhexafluoropropylene, a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.
(ii)カーボン粒子層(単にMILともいう)
MILは、撥水性をより向上させるために、前記GDL(基材)上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるMILとして形成されるものである。詳しくは、当該MIL形成面が、触媒層と接するように配置され、GDL(基材)面がセパレータと接するように配置されるものである。
(Ii) Carbon particle layer (also simply referred to as MIL)
The MIL is formed as a MIL composed of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the GDL (base material) in order to further improve the water repellency. Specifically, the MIL formation surface is disposed so as to contact the catalyst layer, and the GDL (base material) surface is disposed so as to contact the separator.
前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
前記MILに用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。 Examples of the water repellent used for the MIL include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.
前記MILにおける、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。 In the MIL, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity can be obtained. There is no fear. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.
前記MILの厚さは、得られるGDL112全体の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The thickness of the MIL may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the entire GDL 112 to be obtained.
GDLに撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、GDLに用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。 When the GDL contains a water repellent, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for GDL in the dispersion liquid of a water repellent, the method of heat-drying in oven etc. is mentioned.
GDLにおいて転写用台紙上にMILを形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを転写用台紙上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。 When MIL is formed on a transfer mount in GDL, carbon particles, water repellent, etc. are dispersed in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol and the like. The slurry is prepared by applying the slurry onto a transfer mount and dried, or the slurry is once dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Good. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.
MILとGDL(MILを除く)と触媒層との位置関係についても、GDLと触媒層と同様であり、これらの外周部端面が面一に揃うように同じ面積としてもよいし、異なる面積としてもよい。好ましくは、接着層を設けた側では、接着層がMILまたはGDL(MILを除く)とも接するように、触媒層を小さくするのが望ましい。 The positional relationship between the MIL, GDL (excluding MIL) and the catalyst layer is the same as that of the GDL and the catalyst layer, and the same area may be used so that the end faces of the outer peripheral portions are flush with each other. Good. Preferably, on the side where the adhesive layer is provided, it is desirable to make the catalyst layer small so that the adhesive layer is in contact with MIL or GDL (excluding MIL).
ここではGDL112(MILを含む)をMEA110以外の燃料電池セル10の構成部材として説明しているが、GDLをMEA110に含めるか否かは問題ではなく、MEA110の構成部材に含めてもよい。GDLをMEA110に含める場合には、上記接着部140は、セル組み時にGDL112をセパレータ120側に軽く接着させることで、CCM110とのセル組みを簡易化させ、性能低下を防ぐことを目的として形成されてなるものということになる。
Here, GDL 112 (including MIL) is described as a constituent member of
(5)セパレータ120
アノードセパレータ120a及びカソードセパレータ120bとしては、カーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。また、前記セパレータ120a、120bは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するために所望の形状に加工された、アノード側の燃料ガス(H2)のガス流路(溝)121a及びカソード側の空気(Air)のガス流路121bが形成されているのが望ましく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータ120a、120bの厚さや大きさ、流路溝121a、121bの形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。
(5)
The
(6)ガスケット130、保護シート層150
上記アノード側及びカソード側のガスケット130a、130bは、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、ガス不透過材料からなるOリングなどの単一の不透過部により構成されていればよい(図1参照)。また電解質膜100やアノード及びカソード触媒層111a、111bのエッジとの接着を目的として、接着剤付きのガスシールテープ等のような保護シート層150a、150bをさらに設けてなる複合的な構成(アノード側のガスケット130a+保護シート層150aの積層シール構造、及びカソード側のスケット130b+保護シート層150bの積層シール構造)としてもよい(図2、4参照のこと)。Oリングやガスシールテープの不透過部を構成する材料は、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。
(6)
The anode-side and cathode-
(i)ガスケット130
上記アノード側及びカソード側のガスケット130a、130bを構成する酸素や水素ガスに対して不透過の材料としては、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のほか、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)などの耐応力特性を有するものが挙げられる。
(I)
Examples of materials that are impermeable to oxygen and hydrogen gas constituting the anode-side and cathode-
また、アノード側及びカソード側のガスケット130a、130bの厚さとしては、GDLや触媒層の厚さに応じて、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すことができるように適宜決定すればよい。
The thickness of the anode-side and cathode-
(ii)保護シート層150
上記アノード側及びカソード側の保護シート層150a、150bを設けることにより、電解質膜100が保護されるため、ガスケット130a、130bの荷重が電解質膜100に直接かかることを防げる点で優れている。
(Ii) Protective sheet layer 150
By providing the anode-side and cathode-side
上記アノード側及びカソード側の保護シート層150a、150bの不透過部を構成する材料としても、上記ガスケットと同様のフッ素系の高分子材料、熱可塑性樹脂のほか、耐応力特性を有するものなどを用いることができる。例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、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)などが好適に利用することができる。
As a material constituting the impervious portions of the anode side and cathode side
また、アノード側及びカソード側の保護シート層150a、150bの接着部を構成する材料としては、電解質膜100やアノード及びカソード触媒層111と、ガスケット130を密接に接着できるものであれば特に制限されないが、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。
In addition, the material constituting the bonded portion of the anode-side and cathode-side
上記アノード側及びカソード側の保護シート層150a、150bの形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、電解質膜100上に、あるいは触媒層111のエッジを被覆しながら電解質膜100上に、上記保護シート層150の接着部として用いる接着剤を、5〜30μmの厚みになるように塗布した後、上記したような保護シート層150の不透過部を構成するガス不透過材料を10〜200μmの厚みになるように塗布し、これを25〜150℃で、10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、保護シート層150の不透過部を構成するガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に、保護シート層150の接着部として用いる接着剤を塗布して、保護シート層150を形成した後、これを電解質膜100上に、あるいは触媒層111のエッジを被覆しながら電解質膜100上に、貼り合わせてもよい。あるいは、予め、保護シート層150の不透過部を構成するガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜を保護シート層150の接着部として用いる接着層上に貼り合わせたものを膜上に配置してもよい。
The method for forming the anode side and cathode side
上記アノード側及びカソード側の保護シート層150a、150bの厚さは、電解質膜100及びガスケット130(更にはGDL基材やMIL)との十分な接着が達成できる厚みであれば特に制限されない。したがって、ガスケットやGDLや触媒層の厚さに応じて、設置後に所定の圧力がかかった状態で、酸素や水素ガスに対して不透過性を示すことができるように適宜決定すればよい。例えば、図2、4に示すように、触媒層111の厚さと略同じ厚さに形成する場合には、上述した触媒層の厚さに合わせればよい。具体的には1〜30μm、より好ましくは1〜20μmの厚みであること好ましい。また、図示していないが、触媒層+MIL層の合計厚さと略同じ厚さに形成する場合には、上述した触媒層+MIL層の合計厚さの厚さに合わせればよい。具体的には、5〜100μm、より好ましくは10〜50μmの厚みであること好ましい。
The thicknesses of the anode-side and cathode-side
上記ガスケット130及び保護シート層150については、市販のものを購入して用いてもよい。ここでいう市販のものには、購入者側の仕様(寸法、形状、材料、特性など)に応じてメーカーが製造したような発注品ないし特注品等も含まれるものとする。
About the said
保護シート層150の設置範囲は、図2、4に示すように、膜とガスケットとの接着部分に設ければよい。例えば、図2に示すように、GDLとも接着することができるように、GDL外周部端面よりも内側まで形成してもよい。また、ガスケット130の設置範囲は、図2、4に示すように、GDL外周部端面とガスケット130とが接するようにするのが望ましいが、GDL外周部端面とガスケットとの間に隙間が形成されていてもよい。こうした場合には、保護シート層150は、GDL外周部端面よりも外側(例えば、ガスケットの内周部端面)まで形成すればよい。望ましくは、保護シート層150の面内方向内端部は、前記ガスケット130の面内方向内端部を超えて内側に位置し、かつ保護シート層150の一部は前記GDLの一部と重なるように位置するのが望ましい。
As shown in FIGS. 2 and 4, the installation range of the protective sheet layer 150 may be provided at the bonding portion between the membrane and the gasket. For example, as shown in FIG. 2, it may be formed to the inner side of the end face of the outer periphery of the GDL so that it can be bonded to the GDL. 2 and 4, it is desirable that the GDL outer peripheral end face and the
本実施形態の燃料電池のセルユニットの構成としては、図2、3に示す構成に何ら限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよい。例えば、MEAとセパレータの挟持構造に関しては、接着層を介して接着挟持してもよいし、リップを介して挟持(この場合には、燃料電池スタックを組み立てることでの圧縮固定された構造)としてもよい。また、リップはMEA側に形成してもよいし、セパレータ側に形成してもよいなど、特に制限されるものではない。 The configuration of the cell unit of the fuel cell according to the present embodiment is not limited to the configurations shown in FIGS. 2 and 3 and any conventionally known technique may be used as appropriate. For example, regarding the sandwiching structure between the MEA and the separator, the sandwiching may be performed via an adhesive layer or sandwiched via a lip (in this case, a structure that is compressed and fixed by assembling a fuel cell stack). Also good. Further, the lip may be formed on the MEA side or may be formed on the separator side, and is not particularly limited.
本発明の燃料電池のセルユニットを用いることのできる燃料電池の種類としては、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。 As the types of fuel cells that can use the cell unit of the fuel cell of the present invention, the polymer electrolyte type fuel cell has been described as an example in the above description. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used.
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.
前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。 The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.
[II] 第二実施形態
図4は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池の構成の断面図であって、その全体の上面図(セパレータを透過して流路とガスケットと接着部の位置関係が明確になるように表したもの)が図5に示されている。
[II] Second Embodiment FIG. 4 is a cross-sectional view of the configuration of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 shows that the positional relationship is clarified.
燃料電池の使用温度によっては第一実施形態で述べた接着部140に用いた接着剤の溶出が起こる可能性が示唆される。そのため、本実施形態に係る単位燃料電池(燃料電池セル)では、セパレータおよび/またはガス拡散層が、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を有するものである。当該機能を有することにより、接着剤が溶出してガス流路を塞ぐことを抑制するので、ガス流路の詰まりによる性能低下を抑制する事が出来る点で優れている。
Depending on the operating temperature of the fuel cell, it is suggested that elution of the adhesive used in the
本実施形態に係る単位燃料電池(燃料電池セル)10では、図4、5に示すように、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を有するものとして、ガス流路121a、121bの手前に接着部140a、140bの接着剤の溶出防止を目的としたアノード側及びカソード側のガイド160a、160bを供えている例を示している。当該ガイド160a、160bを設けることにより、接着部140a、140bの接着剤が溶出してガス流路121a、121bを塞ぐことを抑制するので、流路121a、121bの詰まりによる性能低下を抑制する事が出来る。すなわち、図4、5に示すように、本発明の第二実施形態に係る単位燃料電池(燃料電池セル)10は、基本的な燃料電池の構成は、図2、3の本発明の第一実施形態に係る燃料電池の構成と同様であるが、本実施形態では、さらにガス流路121a、121bの手前に接着部140a、140bの接着剤の溶出防止を目的としたアノード側及びカソード側のガイド160a、160bが設けられていることを特徴とするものである。図5でも、図3と同様に、アノード側とカソード側の基本的な構成が同じである為、アノード側とカソード側の区別なく、セパレータ120、ガス流路(溝)121、ガスケット130、接着部140、ガイド160として表している。以下、当該ガイド160の構成要件を説明する。他の構成要件に関しては、上述した本発明の第一実施形態に係る燃料電池の各構成要件で説明したのと同様である為、ここでの説明は省略する。
In the unit fuel cell (fuel cell) 10 according to the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
(7)ガイド160
上記ガイド160に用いることのできるガイド材には、セパレータ120と同一の材料を使用することができる。具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、特に制限されるものではなく、従来公知のものを用いることができる。さらにガイド材には、GDL112と同一の部材を用いてもよい。さらに、当該ガイドとしての機能を有効に発揮し、燃料電池の性能に影響を及ぼさないものであれば、これらに何ら制限されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
(7)
As a guide material that can be used for the
すなわち、セパレータやGDLと同一の部材であっても、形状(構造)や硬度等を工夫することにより、接着剤が溶出しや接着剤がセパレータとGDLの界面を伝ってガス流路に流れ込むのを防止できればよい。したがって、例えば、セパレータやGDLの一部を凹凸形状として、当該接着剤が当該界面の隙間を伝わって流れないようにできればよい。そのため、図4、5に示す当該ガイド160部分(凸構造部分:堰構造)を空隙構造部分(凹構造部分)としてもよい。当該空隙構造部分(凹構造部分:溝構造)を形成しても、溶出した接着剤が当該部分に流れ込み、その先のガス流路まで到達しないため、ガス流路を塞ぐのを防止できる。また、空隙構造部分(凹構造部分:溝構造)を図4、5に示すガイド160と同じ位置及び形状として配置しても、セパレータおよびGDL本来の機能を損なうものではないため、セパレータおよび/またはガス拡散層が、接着剤が溶出してセパレータ流路を塞ぐことを抑制する機能を十分に発揮することができる。
That is, even if it is the same member as the separator and GDL, by devising the shape (structure), hardness, etc., the adhesive is eluted and the adhesive flows into the gas flow path through the interface between the separator and the GDL. It is only necessary to prevent this. Therefore, for example, a part of the separator or the GDL may be uneven so that the adhesive does not flow through the gap at the interface. Therefore, the
ガイド160(ないし空隙構造部分)として、接着剤が溶出してガス流路121を塞ぐことを抑制するために形成される部分の高さ(ないし溝の深さ)H1及びH2は、いずれも0.2mm以下、望ましくは0.1mm以上0.2mm以下である。かかる高さ(ないし深さ)を有することで、溶出した接着剤が、セパレータとGDLの界面の隙間を移動するのを堰きとめることができる。
The heights (or groove depths) H1 and H2 of the guide 160 (or gap structure portion) formed to prevent the adhesive from eluting and blocking the
また、図4に示すように、ガイド160部分は、セパレータ120側に高さH1のガイド部分を、GDL112側に高さH2のガイドを一体的に形成することで、接着剤が溶出してガス流路121を塞ぐのを効果的に防止することができ、また組み付けも容易となる点で優れている。
Further, as shown in FIG. 4, the
また、ガイドの面内方向の設置箇所は、図5に示すように、接着剤が溶出してガス流路に入り込まないように、接着箇所とガス流路の間に連続して配置するのがよい。したがって、ガイドの両端部は、図5に示すように、ガスケットに達するようにするのが望ましい。ガイドが不連続で間隙部分があると、当該間隙部分を通じて溶出した接着剤がガス流路に流れ込むおそれがあるためである。 Further, as shown in FIG. 5, the installation location in the in-plane direction of the guide is arranged continuously between the adhesion location and the gas flow path so that the adhesive is not eluted and enters the gas flow path. Good. Therefore, it is desirable that both ends of the guide reach the gasket as shown in FIG. This is because if the guide is discontinuous and there is a gap portion, the adhesive eluted through the gap portion may flow into the gas flow path.
上記したような構成を有する本発明の燃料電池では、後述する実施例に示すように、従来のホットプレスを行い組み付けた燃料電池に比較して電池性能が向上させることができる。これは従来の燃料電池では、GDLとCCMの一体化(組み付け)目的で行っているホットプレスによって膜の吸水性が低下してしまい、抵抗分極に差が生じてしまう。しかしながら、本発明の燃料電池では、セパレータとGDLを接着することにより、当該ホットプレスに行うことなく、該セパレータと一体化したGDLと、CCMとの組み付け(一体化)が可能となるため、膜の吸水性の低下を防止でき、抵抗分極差を生じさせることなく優れた電池性能を発現できるものと考える。以上説明したように、本発明の燃料電池は、ホットプレスを行うことなく、セパレータと接着したGDLと、CCMとを組み付けてなることを特徴とするものであるとも言える。更に、本発明の燃料電池は、セパレータとGDLとを接着した接着部を有することを特徴とするものであるとも言える。 In the fuel cell of the present invention having the above-described configuration, the cell performance can be improved as compared with a fuel cell assembled by performing a conventional hot press, as shown in Examples described later. In the conventional fuel cell, the water absorption of the film is lowered by hot pressing performed for the purpose of integrating (assembling) GDL and CCM, and a difference in resistance polarization occurs. However, in the fuel cell according to the present invention, since the separator and the GDL are bonded, the GDL integrated with the separator and the CCM can be assembled (integrated) without performing the hot press. It is considered that the water absorption can be prevented from being lowered and excellent battery performance can be exhibited without causing a resistance polarization difference. As described above, it can be said that the fuel cell of the present invention is characterized in that the GDL bonded to the separator and the CCM are assembled without performing hot pressing. Furthermore, it can be said that the fuel cell of the present invention has an adhesive portion where the separator and the GDL are bonded.
前記燃料電池の種類としては、高分子電解質型燃料電池;ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。特に高分子電解質型燃料電池は、小型かつ高密度・高出力化が可能であることから、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。 Examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell; a direct methanol fuel cell, and a micro fuel cell. Further, the fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited, but particularly in an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be used suitably. In particular, a polymer electrolyte fuel cell is useful as a power source for a mobile object such as an automobile having a limited mounting space in addition to a stationary power source because it is small in size and high in density and high in output.
以下に、本発明の燃料電池を実施例に基づいて具体的に説明する。 The fuel cell of the present invention will be specifically described below based on examples.
実施例1および比較例1:燃料電池(試験サンプル)の作製
試験サンプルには、炭化水素系膜であるスルホン化されたポリエーテルスルホン(S−PES)電解質膜を用いた。触媒層にはNafionを電解質とした触媒層シートを転写法にてS−PES電解質膜に転写し、膜−触媒接合体(CCM)を作成した。
Example 1 and Comparative Example 1: Production of Fuel Cell (Test Sample) A sulfonated polyethersulfone (S-PES) electrolyte membrane, which is a hydrocarbon-based membrane, was used as a test sample. A catalyst layer sheet containing Nafion as an electrolyte was transferred to the S-PES electrolyte membrane by a transfer method to form a membrane-catalyst assembly (CCM).
ここで、触媒層シートの作製には、ケッチェンブラックに白金が50wt%で担持された白金担持カーボン粉末(田中貴金属工業社製 TEC10E50E)5gと水4.6gを混合し、攪拌・脱泡処理を行った。次に、1−プロパノール(NPA)で希釈した5wt%高分子電解質(Nafion)分散液(Dupont社製、DE−520)55gを混合し、十分に攪拌及び脱泡処理を行い、さらにホモジナイザーを用いて常温で3時間以上粉砕及び均一化処理することにより、触媒層インクを調製した。上記触媒インクを転写シート上に流延塗布し、大気雰囲気下、25℃で24時間かけて溶媒を除去し、触媒層(厚さ20μm、面積5cm×5cm)シートを作製した。 Here, for the production of the catalyst layer sheet, 5 g of platinum-supported carbon powder (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which platinum is supported on ketjen black at 50 wt% and 4.6 g of water are mixed and stirred and defoamed. Went. Next, 55 g of a 5 wt% polyelectrolyte (Nafion) dispersion (Dupont, DE-520) diluted with 1-propanol (NPA) is mixed, sufficiently stirred and degassed, and further using a homogenizer The catalyst layer ink was prepared by pulverizing and homogenizing at room temperature for 3 hours or more. The catalyst ink was cast on a transfer sheet, and the solvent was removed over 24 hours at 25 ° C. in an air atmosphere to prepare a catalyst layer (thickness 20 μm, area 5 cm × 5 cm) sheet.
その後、得られたCCMとGDLをホットプレスして一体化を行ったもの(燃料電池セル)を比較例1の単位燃料電池(燃料電池セル)とし、ホットプレスを行わずに、得られたCCMとGDLを別々に組み付けたもの(燃料電池セル)が本発明の実施例1の単位燃料電池(燃料電池セル)とした。ここで、GDLにはカーボンペーパ(東レ株式会社製 カーボンペーパTGP−H−060、厚さ190μm)を7cm角に打ち抜いたものを用いた。また、比較例1のホットプレス条件は加熱温度130℃ プレス圧力2Mpa、圧力保持時間5minとした。得られたCCMとGDLの一体化したものの電解質膜の外周部に、ポリエチレンナフタレート(PEN)製の保護シート及びシリコンゴム製のガスケットを配置し、セパレータで両側から挟持した。これを、さらに集電板と絶縁板を介して2枚のステンレス鋼製のエンドプレートで挟み、エンドプレート同士を締結ロッドで締結して、比較例1の試験サンプル用の燃料電池セルとした。
Then, the obtained CCM and GDL were hot-pressed and integrated (fuel cell) as a unit fuel cell (fuel cell) of Comparative Example 1, and the obtained CCM was obtained without performing hot pressing. A unit fuel cell (fuel cell) of Example 1 of the present invention was obtained by separately assembling and GDL (fuel cell). Here, as GDL, carbon paper (carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc., having a thickness of 190 μm) punched into a 7 cm square was used. Moreover, the hot press conditions of the comparative example 1 were heating
また、実施例1では、予め、GDLとセパレータを、図2、3Bに示すように、接着して組み付けを行った。詳しくは、アノード及びカソードセパレータの各ガス流路より外縁部に、エポキシ系接着剤をスプレーコーティング法により、複数の面接着になるように(詳しくは、図3Bに示す接着箇所)に塗布し、接着して固定させてからCCMとのセル組み付けを行った。すなわちセパレータを接着したGDLでCCMの両側(両面)を挟持した。これを、比較例1と同じ集電板と絶縁板を介して2枚のステンレス鋼製のエンドプレートで挟み、エンドプレート同士を締結ロッドで締結して、実施例1の試験サンプル用の燃料電池セルとした。 In Example 1, the GDL and the separator were bonded and assembled in advance as shown in FIGS. Specifically, an epoxy-based adhesive is applied to the outer edge portion from each gas flow path of the anode and cathode separator by spray coating method so as to be bonded to a plurality of surfaces (specifically, an adhesive spot shown in FIG. 3B), After bonding and fixing, the cell was assembled with the CCM. That is, both sides (both sides) of the CCM were sandwiched by GDL with a separator attached. This is sandwiched between two stainless steel end plates via the same current collector plate and insulating plate as in Comparative Example 1, and the end plates are fastened with a fastening rod, and the fuel cell for the test sample of Example 1 A cell.
ここでセパレータには緻密カーボングラファイトを用いた。このセパレータを用いて外形寸法を厚さ2mm、高さ130mm、幅260mmとし、カソードまたはアノードと対向する面には、セパレータ板の中央部20cm×9cmの領域に、2.9mmピッチ、幅約2mmのガス流路を形成した。 Here, dense carbon graphite was used for the separator. Using this separator, the outer dimensions are 2 mm in thickness, 130 mm in height, and 260 mm in width. On the surface facing the cathode or anode, the area of 20 cm × 9 cm in the central portion of the separator plate is 2.9 mm pitch and the width is about 2 mm. Gas flow paths were formed.
≪電池特性評価試験≫
実施例1及び比較例1で得られた燃料電池セルの電池特性は、セル温度70℃、アノードにH2、カソードにAirを使用し、ガス利用率はアノード66%、カソード40%で行った。加湿条件はアノード湿度60%、カソード湿度50%、アノード及びカソードともに無加圧条件で試験を行った。得られた結果を図6に示す。
≪Battery characteristics evaluation test≫
The battery characteristics of the fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were as follows: the cell temperature was 70 ° C., H 2 was used for the anode, and Air was used for the cathode, and the gas utilization was 66% for the anode and 40% for the cathode. . The humidification conditions were 60% anode humidity, 50% cathode humidity, and both the anode and cathode were tested under no pressure condition. The obtained result is shown in FIG.
電流密度を0〜1.1(A/cm2)に変化させ、セル電圧、セル抵抗の計測を行った。 The cell voltage and cell resistance were measured by changing the current density from 0 to 1.1 (A / cm 2 ).
セル抵抗の計測には交流抵抗計を用い、周波数1kHzに固定して行った。 The cell resistance was measured by using an AC resistance meter and fixing the frequency to 1 kHz.
≪電池特性評価試験による結果並びに考察≫
実施例1における燃料電池(本発明の第一実施形態に係る燃料電池の構成例:図2、3B参照)と比較例1における燃料電池(従来の燃料電池の構成例:図1参照)の電池特性図を図6に示す。図6は実施例1と比較例1における燃料電池の電流密度とその電圧との関係を表す電池特性のグラフである。図中の実施例にあたる燃料電池は比較例のホットプレスを行い組み付けたものに比較して性能が向上している事が判る。
≪Results and discussion by battery characteristics evaluation test≫
A fuel cell in Example 1 (a configuration example of a fuel cell according to the first embodiment of the present invention: see FIGS. 2 and 3B) and a fuel cell in a comparative example 1 (a configuration example of a conventional fuel cell: see FIG. 1) A characteristic diagram is shown in FIG. FIG. 6 is a graph of battery characteristics representing the relationship between the current density and the voltage of the fuel cell in Example 1 and Comparative Example 1. It can be seen that the performance of the fuel cell according to the example in the figure is improved as compared with the assembly of the comparative example hot-pressed.
これは比較例で行っているホットプレスによって膜の吸水性が低下してしまい、抵抗分極に差が生じてしまうためであると考えられる。 This is considered to be because the water absorption of the film is lowered by the hot pressing performed in the comparative example, and a difference occurs in the resistance polarization.
すなわち、図6よりホットプレスを行い、GDLとCCMを一体化すると一体化しないものに比べて電池性能が低下していることが分かる。さらに図示していないが、抵抗分極を差し引くと性能が一致することが分かる。このことからホットプレスを行うことで膜の吸水性が低下し、性能低下が引き起こされている事が推察される。そこで、GDLとCCMを一体化しないでセル組みを行う方が性能面の向上には望ましいことがわかる。ただし、GDLとセパレータを別々のままで組み立てを行うとセル組みが複雑になってしまう。本実施例では、図2〜5に示すようにGDLをセパレータの流路の存在しない部分に軽く接着させ、その状態でセル組みを行うことで、セル組みを複雑化せず、なおかつ電池性能も向上できるという、優れた作用効果を発現できることが確認できた。 That is, it can be seen from FIG. 6 that when hot pressing is performed and GDL and CCM are integrated, the battery performance is lowered as compared with the case where GDL and CCM are integrated. Further, although not shown in the figure, it can be seen that the performance matches when the resistance polarization is subtracted. From this, it can be inferred that performing hot pressing reduces the water absorption of the film, causing a decrease in performance. Thus, it can be seen that it is preferable to improve the performance by assembling cells without integrating GDL and CCM. However, if the GDL and the separator are assembled separately, the cell assembly becomes complicated. In this embodiment, as shown in FIGS. 2 to 5, GDL is lightly adhered to a portion where the flow path of the separator does not exist, and cell assembly is performed in that state, so that the cell assembly is not complicated and the battery performance is also improved. It was confirmed that an excellent effect of improvement could be expressed.
10 燃料電池セル。 10 Fuel cell.
100 電解質膜、
110 CCM(MEA)、
111 触媒層、
111a アノード触媒層、
111b カソード触媒層、
112 GDL、
112a アノードGDL、
112b カソードGDL、
120 セパレータ、
120a アノードセパレータ、
120b カソードセパレータ、
121 ガス流路(溝)、
121a アノード側H2ガス流路(溝)、
121b カソード側Airガス流路(溝)、
130 ガスケット、
130a アノード側ガスケット、
130b カソード側ガスケット、
140 接着部、
140a アノード接着部、
140b カソード接着部、
150 保護シート層、
150a アノード側保護シート層、
150b カソード側保護シート層、
160 ガイド、
160a アノード側ガイド、
160b カソード側ガイド
H1 ガイド部のセパレータ側の高さ、
H2 ガイド部のGDL側の高さ。
100 electrolyte membrane,
110 CCM (MEA),
111 catalyst layer,
111a anode catalyst layer,
111b cathode catalyst layer,
112 GDL,
112a Anode GDL,
112b cathode GDL,
120 separator,
120a anode separator,
120b cathode separator,
121 gas flow path (groove),
121a anode side H 2 gas flow path (groove),
121b Cathode side Air gas flow path (groove),
130 gasket,
130a Anode side gasket,
130b cathode side gasket,
140 Adhesives,
140a anode adhesion part,
140b cathode adhesion part,
150 protective sheet layer,
150a anode side protective sheet layer,
150b cathode side protective sheet layer,
160 guides,
160a Anode side guide,
160b Cathode side guide H1 Height of the guide portion on the separator side,
H2 Height on the GDL side of the guide part.
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