JP2010146769A - Membrane-electrode assembly and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の発電部を形成する膜電極接合体、および該膜電極接合体を備える燃料電池スタックに関し、特に、拡散層を構成する繊維状物質が電解質膜を貫通して短絡を起こすのを防止する構成を備えた膜電極接合体および燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly that forms a power generation unit of a fuel cell, and a fuel cell stack including the membrane electrode assembly, and in particular, a fibrous material constituting a diffusion layer causes a short circuit through an electrolyte membrane. The present invention relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell stack having a configuration for preventing the above.
燃料電池の1つとして固体高分子形燃料電池が知られており、電解質膜と、その両面に触媒層と拡散層とをこの順で積層した電極層を備えた膜電極接合体を主要な構成要素とする。拡散層は、セパレータのガス流路から供給される酸化剤ガスあるいは燃料ガスを触媒層に向けて透過させ、かつ発生した電気を集電する機能を有するものであり、通常、カーボン繊維からなるカーボンクロスやカーボンペーパーなどで作られる。膜電極接合体はガス流路を備えたセパレータで挟持され燃料電池スタックとされる。 A polymer electrolyte fuel cell is known as one of the fuel cells, and a main component is a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and an electrode layer in which a catalyst layer and a diffusion layer are laminated in this order on both sides. Element. The diffusion layer has a function of permeating the oxidant gas or fuel gas supplied from the gas flow path of the separator toward the catalyst layer and collecting the generated electricity, and is usually a carbon made of carbon fiber. Made of cloth or carbon paper. The membrane electrode assembly is sandwiched between separators having gas flow paths to form a fuel cell stack.
膜電極接合体の製造に当たっては、電解質膜の表面に触媒層を塗布あるいは転写により形成し、その上に拡散層を積層する。発電性能を向上させる等の目的で、触媒層よりも大きい面積の拡散層を触媒層の上に積層する場合があり、その場合には、拡散層の周縁が直接電解質膜に接することとなる。電解質膜と拡散層とが直接に接する構造を持つ膜電極接合体の場合、スタッキング時の締結圧により、拡散層を構成するカーボン繊維が電解質膜に突き刺さることがある。突き刺さりの態様によっては、発電時に短絡を起こす可能性があり、短絡を回避する手段を講じることが求められる。 In manufacturing the membrane electrode assembly, a catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane by coating or transferring, and a diffusion layer is laminated thereon. For the purpose of improving the power generation performance, a diffusion layer having a larger area than the catalyst layer may be laminated on the catalyst layer, and in this case, the periphery of the diffusion layer is in direct contact with the electrolyte membrane. In the case of a membrane electrode assembly having a structure in which the electrolyte membrane and the diffusion layer are in direct contact, carbon fibers constituting the diffusion layer may pierce the electrolyte membrane due to the fastening pressure during stacking. Depending on the mode of piercing, there is a possibility of causing a short circuit during power generation, and it is required to take measures to avoid the short circuit.
特許文献1には、矩形状である電解質膜の一方の面には対向する2辺に沿うようにして第1膜補強部材を配置し、他方の面には他の対向する2辺に沿うようにして第2膜補強部材を配置し、第1膜補強部材間に一方の触媒層を、第2膜補強部材間に他方の触媒層を配置するとともに、第1膜補強部材の上に乗る大きさの拡散層と、第2膜補強部材の上に乗る大きさの拡散層とを両面に積層するようにした膜電極接合体が記載されている。この形態の膜電極接合体では、触媒層よりも大きい面積の拡散層を触媒層の上に積層する場合であっても、スタッキング時に、拡散層を構成するカーボン繊維が電解質膜を貫通するのを第1膜補強部材および第2膜補強部材で阻止することができ、短絡が生じるのを回避することができる。
In
特許文献1に記載される形態の膜電極接合体では、電解質膜上における直交する2方向に第1膜補強部材と第2膜補強部材とを配置する構成であり、帯状の電解質膜上に所定の距離をおいて触媒層と拡散層とからなる電極層を連続的に配置し、その後繋ぎ目の電解質膜部分を切断して膜電極接合体ごとに分離するようにした膜電極接合体の製造方法に適用するためには、特許文献1にも記載されるように、帯状の電解質膜上に第1膜補強部材を配置していく処理工程と、第1膜補強部材に直交する方向に第2膜補強部材を配置していく処理工程とを、分離した工程として行う必要があり、生産性の観点から充分なものとはいえない。
In the membrane electrode assembly described in
本発明は、上記の問題点を解決した膜電極接合体を提供することを課題とし、より具体的には、拡散層を形成する繊維状物質が電解質膜に突き刺さって短絡が生じるのを効果的に阻止することのできる膜電極接合体であって、高い生産性のもとで製造することのできる膜電極接合体を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a membrane electrode assembly that solves the above-mentioned problems, and more specifically, it is effective to cause a fibrous material forming a diffusion layer to pierce an electrolyte membrane and cause a short circuit. It is an object of the present invention to provide a membrane / electrode assembly that can be manufactured with high productivity.
本発明による膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒層と拡散層とがこの順で積層されかつ前記拡散層は繊維状物質を含む膜電極接合体であって、前記拡散層の対向する2辺は前記触媒層を越えて外側に位置しており、他の対向する2辺は前記触媒層の側縁から内側に位置しており、さらに、前記電解質膜における前記拡散層が前記触媒層を越えて外側に位置する領域が位置する側の対向する2辺側には前記拡散層に含まれる繊維状物質が通過するのを阻止することのできる補強材料が配置されていることを特長とする。
本発明は、上記の膜電極接合体を備えた燃料電池スタックも開示する。
The membrane electrode assembly according to the present invention is a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a diffusion layer are laminated in this order on both surfaces of an electrolyte membrane, and the diffusion layer includes a fibrous substance, and the diffusion layer is opposed to the membrane electrode assembly. Two sides are located outside the catalyst layer, the other two opposite sides are located inward from the side edge of the catalyst layer, and the diffusion layer in the electrolyte membrane is the catalyst layer. A reinforcing material capable of preventing the fibrous substance contained in the diffusion layer from passing through is disposed on the two opposite sides on the side where the region located outside is located. To do.
The present invention also discloses a fuel cell stack including the membrane electrode assembly.
本発明による膜電極接合体では、電解質膜における、拡散層が触媒層を越えて外側に位置する領域が位置する側の対向する2辺側にのみ、拡散層に含まれる繊維状物質が通過するのを阻止することのできる補強材料が配置されており、電解質膜における他の対向する2辺側には、補強材料は配置されない。そして、電解質膜における他の対向する2辺側では、拡散層の側縁は触媒層の側縁から内側に位置している。 In the membrane electrode assembly according to the present invention, the fibrous material contained in the diffusion layer passes only on the two opposite sides of the electrolyte membrane on the side where the diffusion layer is located outside the catalyst layer. The reinforcing material which can prevent this is disposed, and the reinforcing material is not disposed on the other two opposite sides of the electrolyte membrane. Then, on the other two opposite sides of the electrolyte membrane, the side edge of the diffusion layer is located on the inner side from the side edge of the catalyst layer.
膜電極接合体における前記補強材料が配置されている側辺側では、該補強材料によって拡散層の繊維状物質が電解質膜を貫通するのを阻止することができる。また、膜電極接合体における他の側辺側では、拡散層の下に触媒層が位置することにより、触媒層によって拡散層の繊維状物質が電解質膜にまで達するのを阻止することができる。そのために、拡散層を形成する繊維状物質が電解質膜に突き刺さって短絡が生じるのを効果的に阻止することができる。それにより、本発明による膜電極接合体を備えた燃料電池スタックは、発電性能が高くかつ長寿命のものとなる。 On the side of the membrane electrode assembly where the reinforcing material is disposed, the reinforcing material can prevent the fibrous material of the diffusion layer from penetrating the electrolyte membrane. In addition, on the other side of the membrane electrode assembly, the catalyst layer is positioned under the diffusion layer, whereby the fibrous material in the diffusion layer can be prevented from reaching the electrolyte membrane by the catalyst layer. For this reason, it is possible to effectively prevent the fibrous material forming the diffusion layer from being stuck into the electrolyte membrane and causing a short circuit. Thereby, the fuel cell stack including the membrane electrode assembly according to the present invention has high power generation performance and a long life.
さらに、前記のように、電解質膜における対向する2辺側にのみ前記補強材料が配置されている構成であり、直交する方向に補強材料を配置する工程を要しないので、帯状の電解質膜を用いて膜電極接合体を連続して製造する場合であっても、製造工程を中断することなく膜電極接合体を製造することができ、高い生産性を確保することができる。 Further, as described above, the reinforcing material is disposed only on the two opposing sides of the electrolyte membrane, and a step of arranging the reinforcing material in the orthogonal direction is not required, so a strip-shaped electrolyte membrane is used. Even when the membrane electrode assembly is continuously manufactured, the membrane electrode assembly can be manufactured without interrupting the manufacturing process, and high productivity can be ensured.
以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づき説明する。図1は本発明による膜電極接合体の一実施形態の模式図であり、図2は他の実施形態の模式図である。図3〜図5は、本発明による膜電極接合体を製造するときの一形態を作業工程順に説明する模式図である。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a membrane electrode assembly according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic view of another embodiment. 3-5 is a schematic diagram explaining one form when manufacturing the membrane electrode assembly by this invention in order of a work process.
図1において、膜電極接合体1は全体として矩形状であり、プロトン交換基として例えばスルホン酸基を持つプロトン伝導性を備えた電解質膜2と、その両面に積層した電極層3(図1ではその一方のみが示されている)とで構成される。電極層3は、電解質膜2に面する触媒層4とその外側に積層する拡散層5とからなる。拡散層5における触媒層4に面する領域には撥水層が形成される場合もある。
In FIG. 1, a
電極層3は全体として電解質膜2内に入り込む大きさであり、電解質膜2の電極層3の周囲から延出する部分には、図1には示されないが、燃料電池セルとするに際して、この張り出した部分とセパレータ(不図示)との間に樹脂材料がガスケット(シール部材)として充填されて、一体化とシール処理が施される。
The
図示のように、電極層3における前記拡散層5は、その対向する2つの側辺5a,5aを前記触媒層4の対向する2つの側縁4a,4aを越えて触媒層4の外側に位置させている。一方、拡散層5の他の対向する2つの側辺5b,5bは前記触媒層4の他方の対向する2つの側縁4b,4bよりも内側に位置させている。
As shown in the figure, the
電解質膜2は、2枚の電解質膜2a,2bを積層して形成されており、2枚の電解質膜2a,2bの間であって、前記拡散層5が触媒層4の一方の側縁4a,4aを越えて外側に位置する領域に対向する側辺領域には、補強材料10,10が配置されている。
The
触媒層4は、電解質樹脂と触媒担持導電体とを含む触媒混合物で形成される。触媒には主に白金系の金属が用いられ、該触媒を担持する導電体にはカーボン粉末が主に用いられる。拡散層5は、例えば繊維状物質としてのカーボン繊維を含むカーボンクロスやカーボンペーパーなどで作られる。
The
補強材料10は、前記拡散層5に含まれる繊維状物質が通過するのを阻止することのできる材料であればよく、例として、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも1種の合成樹脂であることが好ましい。
The reinforcing
図1に示す膜電極接合体1は図示しないセパレータとともにスタッキングされて燃料電池スタックとされる。スタッキング時に、前記拡散層5が触媒層4の一方の側縁4a,4aを越えて外側に位置する領域は、電解質膜2に直接に接する。そして、スタッキング時の締結圧により、両者は圧接状態となり、拡散層5を構成するカーボン繊維が電解質膜2に突き刺さる場合がある。しかし、突き刺さったカーボン繊維は前記した補強材料10によってそれ以上の浸入を妨げられるので、カーボン繊維が電解質膜2を貫通することはなく、また、両面から浸入するカーボン繊維同士が接触することもない。それにより、アノードおよびカソードの両電極層3,3が短絡するは回避される。
The
一方、拡散層5の他の対向する2辺5b,5b側は、その下に触媒層4が2辺5b,5bから延出するようにして位置しており、それにより、拡散層5を形成するカーボン繊維が電解質膜1に突き刺さるのは阻止される。結果として、本発明による膜電極接合体1では、スタッキング時の締結圧等によって、拡散層5を形成する繊維状物質が電解質膜2に突き刺さることによって生じやすい短絡現象を確実に回避することができる。
On the other hand, the other two
図2に示す膜電極接合体1aは、前記補強材料10が、2枚の電解質膜2a,2bの間ではなく、1枚の電解質膜2の両面に配置されており、触媒層4は補強材料10、10の間に形成されている点で、図1に示した膜電極接合体1と相違する。他の部材は図1に示した膜電極接合体1と同じであり、同じ符号を付して説明は省略する。図2に示す形態の膜電極接合体1aの場合も、スタッキング時の締結圧等によって、拡散層5を形成する繊維状物質が電解質膜2に突き刺さるのを確実に阻止できることは、説明を要しない。
In the membrane /
上記した膜電極接合体1,1aは、任意の方法で作ることができる。例えば、図1に示した膜電極接合体1aは、図3〜図5に示すような方法により、連続的に製造することができる。図3において、20は帯状の電解質膜2の原反ロールであり、そこから巻き出される帯状の電解質膜2は巻き取りロール21に巻き取られる。その過程において、従来知られた方法により、帯状の電解質膜2の上には、槽22から触媒インクが間欠的に塗布され、適宜の乾燥処理が施されることにより、触媒層4・・が連続的に形成される。この処理は、アノード側触媒層とカソード側の触媒層の双方において行われる。
The above-described
アノード側触媒層を形成した帯状の電解質膜2aとアノード側触媒層を形成した帯状の電解質膜2bは、図4に示すように、それぞれの原反ロール23、24から、触媒層4を外側にした姿勢で対向するようにして巻き出される。2つの原反ロール23、24の間には、前記した補強材料10をロール状に巻き込んだ補強材料ロール25が位置しており、該補強材料ロール25から、帯状の電解質膜の両側辺に沿うようにして、電解質膜2a,2bの側縁から触媒層4の側縁にいたる幅を持つ2枚の帯状の補強材料10、10が巻き出される。
As shown in FIG. 4, the strip-shaped
補強材料ロール25の下流には、一対の熱圧ロール26,26が位置しており、2枚の帯状の電解質膜2a、2bは、その両側縁に沿った位置に帯状の補強材料10、10を位置させた姿勢で、前記一対の熱圧ロール26,26により一体に圧接される。圧接されて一体化した両面に触媒層4,4を備えた電解質膜2a,2bと補強材料10,10からなる積層体30は、ロール27に巻き取られる。
A pair of hot-pressing
前記積層体30は、図5に示すようにロール27から巻き出され、触媒層4の上に前記した拡散層5が積層されて電極層3が形成され、膜電極接合体1とされる。本発明において、積層する拡散層5は、その大きさが、積層体30の送り方向Pでは、触媒層4の前記積層体30の送り方向Pの幅内に入り込む大きさであり、送り方向Pに直交する方向では、触媒層4の前記積層体30の送り方向Pに直交する方向の幅よりは大きく、かつ前記電解質膜2a,2bの送り方向Pに直交する方向の幅よりは小さくされている。
As shown in FIG. 5, the laminate 30 is unwound from a
そのようにして、電解質膜2を繋ぎ材として多数の膜電極接合体1が連続的に形成されるとともに、送りの過程で、カッター40により、電解質膜2の前記繋ぎ部が切断され、枚様としての膜電極接合体1とされる。
In this way, a large number of
上記のようにして、本発明による図1に示した形態の膜電極接合体1は、帯状の電解質膜を用いて連続して製造することができる。また、図1に示す形態の膜電極接合体1および図2に示す形態の膜電極接合体1aは、ともに、一方の対向する2辺のみに沿って補強材料10を配置する構成であり、4辺に沿って補強材料を配置する形態と比較して、製造コストも低減することができる。
As described above, the
図示しないが、従来知られた手法により前記膜電極接合体をガス流路を備えたセパレータで挟持することにより、高い発電性能を備えた燃料電池スタックが得られる。 Although not shown, a fuel cell stack having high power generation performance can be obtained by sandwiching the membrane electrode assembly with a separator having a gas flow path by a conventionally known technique.
1…膜電極接合体、
2、2a、2b…電解質膜、
3…電極層、
4…触媒層、
4a…触媒層の対向する2つの側縁、
4b…触媒層の他の対向する2つの側縁、
5…拡散層、
5a…拡散層の対向する2つの側辺、
5b…拡散層の他の対向する2つの側辺
10…補強材料。
1 ... Membrane electrode assembly,
2, 2a, 2b ... electrolyte membrane,
3 ... electrode layer,
4 ... Catalyst layer,
4a ... Two opposite side edges of the catalyst layer,
4b ... the other two opposite side edges of the catalyst layer,
5 ... diffusion layer,
5a ... two opposite sides of the diffusion layer,
5b ... the other two
Claims (2)
前記拡散層の対向する2辺は前記触媒層を越えて外側に位置しており、他の対向する2辺は前記触媒層の側縁から内側に位置しており、さらに、前記電解質膜における前記拡散層が前記触媒層を越えて外側に位置する領域が位置する側の対向する2辺側には前記拡散層に含まれる繊維状物質が通過するのを阻止することのできる補強材料が配置されていることを特長とする膜電極接合体。 A catalyst layer and a diffusion layer are laminated in this order on both surfaces of the electrolyte membrane, and the diffusion layer is a membrane electrode assembly including a fibrous substance,
Two opposite sides of the diffusion layer are located outside the catalyst layer, and the other two opposite sides are located on the inner side from the side edge of the catalyst layer. Reinforcing materials capable of preventing the passage of fibrous substances contained in the diffusion layer are disposed on the two opposite sides on the side where the region where the diffusion layer is located outside the catalyst layer is located. A membrane electrode assembly characterized by
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US10290877B2 (en) | 2012-11-22 | 2019-05-14 | Honda Motor Co., Ltd. | Membrane electrode assembly |
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