JP2008218100A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of preventing more certainly deterioration of an electrolyte membrane due to hydrogen peroxide radicals. <P>SOLUTION: The portion of an edge part of an electrolyte membrane 4 of which the surface is not covered by electrodes 6, 8 is covered by a seal member 30. A peroxide degradation catalyst is added at a portion of the seal member 30 which covers at least the electrolyte membrane 4. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質膜の両側を電極で挟んで構成される膜電極接合体を備えた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell including a membrane electrode assembly configured by sandwiching both sides of an electrolyte membrane with electrodes.

燃料電池では、電極における電池反応の副生成物として過酸化水素(H)が発生することがある。この過酸化水素が金属イオンによってラジカル化した過酸化水素ラジカルは、電解質膜を化学的に劣化させる原因となる。ただし、過酸化水素は電極に含まれる触媒よって分解されるので、電解質膜がその縁部まで電極で被覆されているならば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化は抑えられる。 In a fuel cell, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) may be generated as a by-product of a cell reaction at an electrode. The hydrogen peroxide radical obtained by radicalizing the hydrogen peroxide by metal ions causes chemical degradation of the electrolyte membrane. However, since hydrogen peroxide is decomposed by the catalyst contained in the electrode, deterioration of the electrolyte membrane due to hydrogen peroxide radicals can be suppressed if the electrolyte membrane is covered with the electrode up to its edge.

しかしながら、電解質膜の表面全体を電極で被覆することは容易ではない。電極が存在する部位では電池反応によって熱が発生し、この熱は電解質膜を激しく劣化させる。電池反応で発生した熱は冷媒によって除去することができるが、電解質膜の縁部までカバーできるように冷媒流路を配置することは難しい。このため、電解質膜の縁部には表面を電極で被覆できない部位が存在し、その表面が露出している部位が過酸化水素ラジカルによって劣化してしまう可能性がある。   However, it is not easy to cover the entire surface of the electrolyte membrane with electrodes. At the site where the electrode is present, heat is generated by the battery reaction, and this heat severely degrades the electrolyte membrane. The heat generated by the battery reaction can be removed by the refrigerant, but it is difficult to arrange the refrigerant flow path so as to cover the edge of the electrolyte membrane. For this reason, there is a portion where the surface cannot be covered with the electrode at the edge of the electrolyte membrane, and the portion where the surface is exposed may be deteriorated by hydrogen peroxide radicals.

過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化を抑制する技術としては、例えば、特許文献1に開示されたものが知られている。特許文献1には、電解質膜とセパレータとの間をシールするシール部材に過酸化物分解触媒(例えばCeO)を含有させることや、シール部材の表面に過酸化物分解触媒を付着させることが開示されている。特許文献1に開示された技術では、シール部材に配置した過酸化物分解触媒によって過酸化水素を分解することで、過酸化水素ラジカルによる電解質膜及びシール部材の劣化を抑制している。
特開2005−267904号公報 特開平6−310157号公報 特開平8−180888号公報 特開2006−108006号公報
For example, a technique disclosed in Patent Document 1 is known as a technique for suppressing deterioration of an electrolyte membrane due to hydrogen peroxide radicals. In Patent Document 1, a peroxide decomposition catalyst (for example, CeO 2 ) is contained in a seal member that seals between an electrolyte membrane and a separator, or a peroxide decomposition catalyst is attached to the surface of the seal member. It is disclosed. In the technique disclosed in Patent Document 1, hydrogen peroxide is decomposed by a peroxide decomposition catalyst disposed on the seal member, thereby suppressing deterioration of the electrolyte membrane and the seal member due to hydrogen peroxide radicals.
JP 2005-267904 A JP-A-6-310157 JP-A-8-180888 JP 2006-108006 A

しかしながら、特許文献1に開示されている技術には今だ改良の余地が残っている。特許文献1に開示されている燃料電池の構造では、電解質膜の表面に電極にもシール部材にも被覆されてない部分が存在する。電解質膜の劣化の原因となる過酸化水素は過酸化物分解触媒によって分解することができるが、分解されていない残留過酸化水素の存在も予想される。このため、電解質膜の表面に露出した部分があると、その部分がラジカル化した残留過酸化水素の攻撃によって劣化してしまう可能性は否定できない。   However, there is still room for improvement in the technique disclosed in Patent Document 1. In the structure of the fuel cell disclosed in Patent Document 1, there is a portion of the surface of the electrolyte membrane that is not covered by the electrode or the seal member. Hydrogen peroxide that causes deterioration of the electrolyte membrane can be decomposed by the peroxide decomposition catalyst, but the presence of undecomposed residual hydrogen peroxide is also expected. For this reason, if there is a portion exposed on the surface of the electrolyte membrane, the possibility of the portion being deteriorated by the attack of the residual hydrogen peroxide radicalized cannot be denied.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化をより確実に防止することのできる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can more reliably prevent deterioration of an electrolyte membrane due to hydrogen peroxide radicals.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜の両側を電極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周部をシールするシール部材とを備える燃料電池において、
前記電解質膜の縁部で表面を前記電極で被覆されていない部位は前記シール部材によって被覆され、前記シール部材の少なくとも前記電解質膜を被覆する部分には過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell comprising a membrane electrode assembly configured by sandwiching both sides of an electrolyte membrane between electrodes, and a seal member that seals an outer peripheral portion of the membrane electrode assembly. In
A portion of the edge of the electrolyte membrane that is not covered with the electrode is covered with the seal member, and a peroxide decomposition catalyst is added to at least a portion of the seal member that covers the electrolyte membrane. It is characterized by.

第2の発明は、第1の発明において
前記シール部材は高分子材料からなる多層成形物であって、表面に近い層ほど多量の過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴としている。
A second invention is characterized in that, in the first invention, the sealing member is a multilayer molded product made of a polymer material, and a larger amount of peroxide decomposition catalyst is added to a layer closer to the surface.

第1の発明によれば、電解質膜の表面に露出した部位はなく、電極或いは過酸化物分解触媒が添加されたシール部材の何れかによって被覆されているので、電池反応で過酸化水素が生成されたとしても、それが電解質膜に到達する前に電極若しくは過酸化物分解触媒によって分解することができる。したがって、第1の発明によれば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜の劣化をより確実に防止することができる。   According to the first invention, since there is no exposed portion on the surface of the electrolyte membrane, and it is covered with either the electrode or the sealing member to which the peroxide decomposition catalyst is added, hydrogen peroxide is generated in the battery reaction. Even if it is done, it can be decomposed by the electrode or peroxide decomposition catalyst before it reaches the electrolyte membrane. Therefore, according to the first invention, it is possible to more reliably prevent the deterioration of the electrolyte membrane due to the hydrogen peroxide radical.

また、第2の発明によれば、過酸化物分解触媒による過酸化水素の分解効果を維持しつつ、高分子材料からなるシール部材の強度を保つことができる。   Further, according to the second invention, the strength of the sealing member made of the polymer material can be maintained while maintaining the decomposition effect of hydrogen peroxide by the peroxide decomposition catalyst.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態の燃料電池は固体高分子型燃料電池であり、図1に示すように膜電極接合体(MEA)2を備えている。MEA2は電解質膜4をアノード電極6とカソード電極8とで挟んで構成されている。アノード電極6は、電解質膜2の表面に積層された触媒層10と触媒層10上に積層されたガス拡散層12とからなる。カソード電極8は、電解質膜2の表面に積層された触媒層14と触媒層14上に積層されたガス拡散層16とからなる。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a membrane electrode assembly (MEA) 2 as shown in FIG. The MEA 2 is configured by sandwiching the electrolyte membrane 4 between an anode electrode 6 and a cathode electrode 8. The anode electrode 6 includes a catalyst layer 10 laminated on the surface of the electrolyte membrane 2 and a gas diffusion layer 12 laminated on the catalyst layer 10. The cathode electrode 8 includes a catalyst layer 14 stacked on the surface of the electrolyte membrane 2 and a gas diffusion layer 16 stacked on the catalyst layer 14.

MEA2の両側には反応ガスの流路を構成する流路部材18,20が配置されている。流路部材18,20は導電性のある多孔体からなり、その内部の連続する気孔が反応ガスの流路となっている。各流路部材18,20の外側にはセパレータ22,24が配置されている。なお、本実施の形態ではセパレータ22,24とMEA2との間に流路部材18,20を配置しているが、セパレータ22,24の内面に反応ガスの流路を形成してMEA2を直接セパレータ22,24で挟んでもよい。   On both sides of the MEA 2, flow path members 18 and 20 constituting a flow path for the reaction gas are arranged. The flow path members 18 and 20 are made of a conductive porous body, and the continuous pores inside the flow path members serve as reaction gas flow paths. Separators 22 and 24 are arranged outside the flow path members 18 and 20. In the present embodiment, the flow path members 18 and 20 are disposed between the separators 22 and 24 and the MEA 2. However, the reaction gas flow paths are formed on the inner surfaces of the separators 22 and 24 to directly connect the MEA 2 to the separators. It may be sandwiched between 22 and 24.

MEA2の外周部には、MEA2を囲むようにゴム製のシールガスケット30が配置されている。このシールガスケット30には過酸化物分解触媒であるCeOが添加されている。シールガスケット30はMEA2を挟むセパレータ22,24に接触して、反応ガスが流れる燃料電池内部と外部との間をシールしている。本実施の形態ではシールガスケット30が本発明にかかる「シール部材」に相当している。 A rubber seal gasket 30 is disposed on the outer periphery of the MEA 2 so as to surround the MEA 2. CeO 2 which is a peroxide decomposition catalyst is added to the seal gasket 30. The seal gasket 30 is in contact with the separators 22 and 24 sandwiching the MEA 2 to seal between the inside and outside of the fuel cell through which the reaction gas flows. In the present embodiment, the seal gasket 30 corresponds to a “seal member” according to the present invention.

本実施の形態の燃料電池は、電解質膜4の縁部に表面を電極6,8で被覆されていない部位を有している。この部位は冷媒流路(図示略)による冷却が困難な場所に相当し、電池反応の反応熱による電解質膜4の劣化を防止するために電極6,8は積層されてない。上述のシールガスケット30は、電解質膜2の縁部であって表面を電極6,8で被覆されてない部位を完全に被覆するように取り付けられている。   The fuel cell of the present embodiment has a portion where the surface is not covered with the electrodes 6 and 8 at the edge of the electrolyte membrane 4. This part corresponds to a place where cooling by a refrigerant flow path (not shown) is difficult, and the electrodes 6 and 8 are not laminated in order to prevent deterioration of the electrolyte membrane 4 due to reaction heat of battery reaction. The above-described seal gasket 30 is attached so as to completely cover the edge portion of the electrolyte membrane 2 and the surface not covered with the electrodes 6 and 8.

以上説明した構成によれば、電解質膜2の表面に露出した部位はなく、電解質膜2の表面は電極6,8かシールガスケット30の何れかによって完全に被覆されている。これによれば、電池反応で過酸化水素が生成されたとしても、それが電解質膜4に到達する前に電極6,8で分解されるか、若しくはシールガスケット30に添加されたCeOによって分解される。したがって、本実施の形態の燃料電池によれば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜4の劣化を確実に防止することができる。 According to the configuration described above, there is no exposed portion on the surface of the electrolyte membrane 2, and the surface of the electrolyte membrane 2 is completely covered with either the electrodes 6, 8 or the seal gasket 30. According to this, even if hydrogen peroxide is generated by the battery reaction, it is decomposed by the electrodes 6 and 8 before reaching the electrolyte membrane 4 or decomposed by CeO 2 added to the seal gasket 30. Is done. Therefore, according to the fuel cell of the present embodiment, it is possible to reliably prevent the deterioration of the electrolyte membrane 4 due to the hydrogen peroxide radical.

なお、シールガスケット30に添加すべきCeOの量には最適な範囲が存在する。図2にはCeOの添加量と電解質膜4のクロスリーク寿命との関係、及びCeOの添加量とシールガスケット30の強度との関係を示している。この図に示すように、CeOの添加量が少なすぎると過酸化水素の分解効果を得ることができず、電解質膜4のクロスリーク寿命が短くなってしまう。一方、CeOの添加量を多くするに従ってシールガスケット30の強度は低下していく。したがって、必要なシールガスケット30の強度は確保しつつ、クロスリーク寿命の要求年数を満たすことができる範囲内でCeOの添加量を調整することが求められる。実験では、CeOの添加量を全体に対する質量比で20%以下にすることで強度とクロスリーク寿命の双方を満足させることが可能であった。また、質量比で20%を超える場合には、添加時のCeOの分散性が低下してしまいクロスリーク寿命に対する効果も薄れることが分かった。 Note that there is an optimum range for the amount of CeO 2 to be added to the seal gasket 30. It shows the relationship between the intensity of the amount and the sealing gasket 30 of a relationship between the cross leak lifetime of the electrolyte membrane 4 and the addition amount of CeO 2, and CeO 2 in FIG. As shown in this figure, if the amount of CeO 2 added is too small, the decomposition effect of hydrogen peroxide cannot be obtained, and the cross leak life of the electrolyte membrane 4 is shortened. On the other hand, the strength of the seal gasket 30 decreases as the amount of CeO 2 added is increased. Therefore, it is required to adjust the addition amount of CeO 2 within a range in which the required years of the cross leak life can be satisfied while ensuring the necessary strength of the seal gasket 30. In the experiment, it was possible to satisfy both the strength and the cross leak life by setting the addition amount of CeO 2 to 20% or less in terms of the mass ratio with respect to the whole. Further, it was found that when the mass ratio exceeds 20%, the dispersibility of CeO 2 at the time of addition is lowered and the effect on the cross leak life is diminished.

図3はシールガスケット30の構成を模式的に示す断面図である。この図に示すように、シールガスケット30は複数の層30a,30b,30cからなる多層成形物として構成することができる。このような多層成形物であれば、層30a,30b,30c毎にCeOの添加量を調整することができる。例えば、中央層30aはCeOの添加量を少なくし、表面層30cはCeOの添加量を多くし、中間層30bは中央層30aと表面層30cとの中間の添加量としてもよい。これによれば、CeOによる過酸化水素の分解効果を維持しつつ、シールガスケット30の強度を保つことができる。なお、図3ではシールガスケット30を5層としているが、中央層と両表面層とからなる3層構造も可能であり、より複数の層に分けて構成することもできる。 FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the seal gasket 30. As shown in this figure, the seal gasket 30 can be configured as a multilayer molded article composed of a plurality of layers 30a, 30b, 30c. With such a multilayer molded product, the amount of CeO 2 added can be adjusted for each of the layers 30a, 30b, and 30c. For example, the addition amount of CeO 2 may be reduced in the central layer 30a, the addition amount of CeO 2 may be increased in the surface layer 30c, and the intermediate addition amount between the central layer 30a and the surface layer 30c may be set in the intermediate layer 30b. According to this, the strength of the seal gasket 30 can be maintained while maintaining the decomposition effect of hydrogen peroxide by CeO 2 . In FIG. 3, the seal gasket 30 has five layers, but a three-layer structure including a center layer and both surface layers is also possible, and the seal gasket 30 can be divided into a plurality of layers.

実施の形態2.
図4は本発明の実施の形態2の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。図4において実施の形態1の燃料電池と共通する要素については同一の符号を付している。以下では実施の形態1とは異なる構成について説明し、共通する構成についての説明は、その必要がある場合を除いて省略或いは簡略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 4, elements that are the same as those of the fuel cell of Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals. Hereinafter, a configuration different from that of the first embodiment will be described, and description of the common configuration will be omitted or simplified unless necessary.

本実施の形態の燃料電池は、MEA2の外周部を一対のフレーム40,42で挟んで固定し、このフレーム40,42とMEA2の一体化物をセパレータ22,24で挟んで構成されている。2つのフレーム40,42が接着剤44で接着され、また、セパレータ22,24とフレーム40,42とが接着剤46,48で接着されることで、反応ガスが流れる燃料電池内部と外部との間がシールされている。本実施の形態ではフレーム40,42及び接着剤44,46,48が本発明にかかる「シール部材」に相当している。   The fuel cell according to the present embodiment is configured such that the outer peripheral portion of the MEA 2 is sandwiched and fixed by a pair of frames 40 and 42, and an integrated product of the frames 40 and 42 and the MEA 2 is sandwiched by separators 22 and 24. The two frames 40 and 42 are bonded with the adhesive 44, and the separators 22 and 24 and the frames 40 and 42 are bonded with the adhesives 46 and 48, so that the inside and outside of the fuel cell through which the reaction gas flows are connected. The space is sealed. In the present embodiment, the frames 40, 42 and the adhesives 44, 46, 48 correspond to the “seal member” according to the present invention.

フレーム40,42は電解質膜2の縁部であって表面を電極6,8で被覆されてない部位を両側から挟みこんでいる。そして、フレーム40,42と電解質膜2とは両フレーム40,42を接着している接着剤44で接着されている。この接着剤44には過酸化物分解触媒であるCeOが添加されている。接着剤44は、電解質膜2の縁部であって表面を電極6,8で被覆されてない部位を完全に被覆するように塗布されている。 Frames 40 and 42 sandwich the portion of the electrolyte membrane 2 that is not covered with the electrodes 6 and 8 from both sides. The frames 40 and 42 and the electrolyte membrane 2 are bonded with an adhesive 44 that bonds the frames 40 and 42 together. CeO 2 which is a peroxide decomposition catalyst is added to the adhesive 44. The adhesive 44 is applied so as to completely cover the edge portion of the electrolyte membrane 2 and the surface not covered with the electrodes 6 and 8.

以上説明した構成によれば、電解質膜2の表面に露出した部位はなく、電解質膜2の表面は電極6,8か接着剤44の何れかによって完全に被覆されている。これによれば、電池反応で過酸化水素が生成されたとしても、それが電解質膜4に到達する前に電極6,8で分解されるか、若しくは接着剤44に添加されたCeOによって分解される。したがって、本実施の形態の燃料電池によれば、過酸化水素ラジカルによる電解質膜4の劣化を確実に防止することができる。 According to the configuration described above, there is no exposed portion on the surface of the electrolyte membrane 2, and the surface of the electrolyte membrane 2 is completely covered with either the electrodes 6, 8 or the adhesive 44. According to this, even if hydrogen peroxide is generated by the battery reaction, it is decomposed at the electrodes 6 and 8 before reaching the electrolyte membrane 4 or decomposed by CeO 2 added to the adhesive 44. Is done. Therefore, according to the fuel cell of the present embodiment, it is possible to reliably prevent the deterioration of the electrolyte membrane 4 due to the hydrogen peroxide radical.

その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施することができる。
Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications can be made.

実施の形態1では、シールガスケット30の全体ではなく、電解質膜4を被覆している部分に限定してCeOを添加しておくのでもよい。少なくとも電解質膜4を被覆している部分にCeOが添加されていれば、過酸化水素と電解質膜4との接触を防ぐことができる。 In the first embodiment, CeO 2 may be added only to the portion covering the electrolyte membrane 4 instead of the entire seal gasket 30. If CeO 2 is added at least to the portion covering the electrolyte membrane 4, contact between hydrogen peroxide and the electrolyte membrane 4 can be prevented.

実施の形態2では、フレーム40,42と電解質膜4とを接着する接着剤とフレーム40,42同士を接着する接着剤とを別物にし、前者にのみCeOを添加するのでもよい。また、セパレータ22,24とフレーム40,42とを接着する接着剤46,48にもCeOを添加してもよい。 In the second embodiment, the adhesive for adhering the frames 40, 42 and the electrolyte membrane 4 and the adhesive for adhering the frames 40, 42 may be separated, and CeO 2 may be added only to the former. Further, CeO 2 may also be added to the adhesives 46 and 48 for bonding the separators 22 and 24 and the frames 40 and 42.

上述の実施の形態では過酸化物分解触媒としてCeOを用いているが、CeOはその一例であって他の過酸化物分解触媒を用いることは勿論可能である。 In the above-described embodiment, CeO 2 is used as the peroxide decomposition catalyst. CeO 2 is an example, and other peroxide decomposition catalysts can of course be used.

本発明の実施の形態1の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. CeOの添加量が電解質膜のクロスリーク寿命やシールガスケットの強度に与える影響について示す図である。Amount of CeO 2 is a diagram showing the effect on cross-leak life and strength of the sealing gasket of the electrolyte membrane. シールガスケットの構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a seal gasket typically. 本発明の実施の形態2の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the fuel cell of Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2 膜電極接合体
4 電解質膜
6 アノード電極
8 カソード電極
10 アノード触媒層
12 アノードガス拡散層
14 カソード触媒層
16 カソードガス拡散層
18,20 流路部材
22,24 セパレータ
30 シールガスケット
40,42 フレーム
44 CeO含有接着剤
46,48 接着剤
2 Membrane electrode assembly 4 Electrolyte membrane 6 Anode electrode 8 Cathode electrode 10 Anode catalyst layer 12 Anode gas diffusion layer 14 Cathode catalyst layer 16 Cathode gas diffusion layers 18, 20 Channel members 22, 24 Separator 30 Seal gasket 40, 42 Frame 44 CeO 2 -containing adhesive 46, 48 Adhesive

Claims (2)

電解質膜の両側を電極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周部をシールするシール部材とを備える燃料電池において、
前記電解質膜の縁部で表面を前記電極で被覆されていない部位は前記シール部材によって被覆され、前記シール部材の少なくとも前記電解質膜を被覆する部分には過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell comprising a membrane electrode assembly configured by sandwiching both sides of an electrolyte membrane between electrodes, and a seal member that seals an outer peripheral portion of the membrane electrode assembly,
A portion of the edge of the electrolyte membrane that is not covered with the electrode is covered with the seal member, and a peroxide decomposition catalyst is added to at least a portion of the seal member that covers the electrolyte membrane. A fuel cell.
前記シール部材は高分子材料からなる多層成形物であって、表面に近い層ほど多量の過酸化物分解触媒が添加されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the sealing member is a multilayer molded product made of a polymer material, and a larger amount of peroxide decomposition catalyst is added to a layer closer to the surface.
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