JP2010257930A - 補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents
補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】補強膜の剥離を確実に防止することを課題とする。
【解決手段】イオン伝導性高分子電解質膜2と、電解質膜2の両面に形成された触媒層3と、中央に開口部41が形成されており、内周縁部が触媒層3の外周縁部31上に載置された状態で触媒層−電解質膜積層体10の両面に溶着された補強膜4と、少なくとも触媒層3の外周縁部31と補強膜4の内周縁部との間にわたって延びる複数の繊維状物質9と、を備えている。
【選択図】図3
【解決手段】イオン伝導性高分子電解質膜2と、電解質膜2の両面に形成された触媒層3と、中央に開口部41が形成されており、内周縁部が触媒層3の外周縁部31上に載置された状態で触媒層−電解質膜積層体10の両面に溶着された補強膜4と、少なくとも触媒層3の外周縁部31と補強膜4の内周縁部との間にわたって延びる複数の繊維状物質9と、を備えている。
【選択図】図3
Description
本発明は、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池に関するものである。
燃料電池は、電解質膜の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質膜の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層及び導電性多孔質基材を順に積層している。そして、この触媒層及び導電性多孔質基材からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している(特許文献1の図3又は図4参照)。しかし、ガスケットが設置される電解質膜の外周縁部は発電に寄与しない部分であり、一般的に高価な電解質膜を有効に利用できていない。このため、膜電極接合体の外周縁部から外方に延びる補強膜を別途設け、この補強膜上にガスケットを配置する固体高分子形燃料電池が提案されている(特許文献1の図1及び図2参照)。また、その他にも、特許文献2のように、各電極によって抑えられていない電解質膜部分の膨張収縮を抑制するために補強膜を設けることがあるなど、種々の目的から補強膜を有する固体高分子形燃料電池が提案されている。
上述したような固体高分子形燃料電池は、補強膜が中央に開口部を有しておりその内周縁部が触媒層や導電性多孔質基材の外周縁部上に溶着している。しかし、固体高分子形燃料電池を長時間運転させると、電解質膜や触媒層の膨潤収縮や、カソードにおいて生成された水が蒸発して発生する水蒸気などによって、補強膜が内周縁部側から剥離してしまう可能性がある。そこで本発明は、補強膜の剥離を確実に防止することのできる補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
本発明に係る補強膜付き触媒層−電解質膜積層体は、イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体と、中央に開口部が形成されており、内周縁部が前記触媒層の外周縁部上に載置された状態で、前記触媒層−電解質膜積層体の少なくとも一方面に溶着された補強膜と、少なくとも前記触媒層の外周縁部と前記補強膜の内周縁部との間にわたって延びる複数の繊維状物質と、を備えている。
内周縁部が触媒層の外周縁部に乗り上げた状態で接合されている補強膜は、一般的にその内周縁部から剥離し易い傾向にある。これに対して、本発明に係る補強膜付き触媒層−電解質膜積層体は、触媒層の外周縁部と補強膜の内周縁部との間に複数の繊維状物質が延びているため、この繊維状物質のアンカー効果によって補強膜の内周縁部の接合をより強固なものにし、補強膜の剥離を確実に防止することができる。
上記補強膜付き触媒層−電解質膜積層体は種々の構成をとることができるが、例えば、触媒層−電解質膜積層体の両面に補強膜がそれぞれ溶着されており、繊維状物質は、触媒層−電解質膜積層体の少なくとも一方面側において、触媒層の外周縁部と補強膜の内周縁部との間にわたって延びるような構成とすることができる。
また、電解質膜が触媒層よりも一回り大きい場合、電解質膜と補強膜との間にわたって延びる複数の繊維状物質をさらに備えていてもよい。これにより、より確実に補強膜の剥離を防止することができる。
また、補強膜は、触媒層−電解質膜積層体に溶着する第1の溶着層と、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層とを有した構成とすることが好ましい。このように、触媒層−電解質膜積層体と溶着するための第1の溶着層とは別に、ガスバリア層を有することで、燃料ガスや酸化剤ガスのリークを確実に防止することができる。
また、補強膜は、第1の溶着層とガスバリア層との間に第2の溶着層をさらに有するような構成とし、繊維状物質が、第1の溶着層と触媒層との間にわたって延びるような構成としてもよい。
また、本発明に係る第1の補強膜付き膜電極接合体は、上述したいずれかの補強膜付き触媒層−電解質膜積層体と、前記補強膜の開口部から露出する前記触媒層上に積層される導電性多孔質基材と、を備えている。
この構成によれば、上述した補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を備えているため、補強膜の剥離を確実に防止することができる。
また、本発明に係る第2の補強膜付き膜電極接合体は、イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層上に導電性多孔質基材が形成された膜電極接合体と、中央に開口部が形成されており、内周縁部が前記導電性多孔質基材の外周縁部上に載置された状態で、前記膜電極接合体の少なくとも一方面に溶着された補強膜と、前記導電性多孔質基材の外周縁部と前記補強膜の内周縁部との間にわたって延びる複数の繊維状物質と、を備えている。
内周縁部が導電性多孔質基材の外周縁部に乗り上げた状態で接合している補強膜は、その内周縁部から剥離し易い傾向にある。これに対して、本発明に係る第2の補強膜付き膜電極接合体は、導電性多孔質基材の外周縁部と補強膜の内周縁部との間に繊維状物質が延びているため、この繊維状物質のアンカー効果によって補強膜の内周縁部の接合をより強固なものにし、補強膜の剥離を確実に防止することができる。
本発明に係る第2の補強膜付き膜電極接合体は種々の構成をとることができるが、例えば、膜電極接合体の両面に補強膜がそれぞれ溶着されており、繊維状物質は、膜電極接合体の少なくとも一方面側において、導電性多孔質基材の外周縁部と補強膜の内周縁部との間にわたって延びるような構成とすることもできる。
また、電解質膜が触媒層よりも一回り大きい場合、電解質膜と補強膜との間にわたって延びる複数の繊維状物質をさらに備えた構成とすることもできる。これにより、より確実に補強膜の剥離を防止することができる。
また、上記補強膜は、膜電極接合体に溶着する第1の溶着層と、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層と、を有するよう構成していることが好ましい。このように、膜電極接合体と溶着するための第1の溶着層とは別に、ガスバリア層を有することで、燃料ガスや酸化剤ガスのリークを確実に防止することができる。また、補強膜を第1の溶着層とガスバリア層との間に第2の溶着層をさらに有するような構成とし、繊維状物質を、第1の溶着層と導電性多孔質基材との間にわたって延びるように構成してもよい。
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上述したいずれかの補強膜付き膜電極接合体と、前記各補強膜上に設置されたガスケットと、前記ガスケットが設置された補強膜付き膜電極接合体を両側から挟持するよう設置されたセパレータと、を備えている。
この固体高分子形燃料電池によれば、上述した補強膜付き膜電極接合体を備えているため、確実に補強膜の剥離を防止することができる。
本発明に係る補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池によれば、補強膜の剥離を確実に防止することができる。
以下、本発明に係る補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1及び図2に示すように、固体高分子形燃料電池1は、電解質膜2及び触媒層3からなる触媒層−電解質膜積層体10と、この触媒層−電解質膜積層体10から外方に延びる補強膜4と、触媒層3上に形成された導電性多孔質基材5とを備えている。また、固体高分子形燃料電池1は、補強膜4上に設置されたガスケット6や、これらを挟持するセパレータ7も備えている。以下、各部材について詳細に説明する。
電解質膜2は、平面視矩形状であり、この電解質膜2の両面に電解質膜2よりも一回り小さい触媒層3が形成されている。この電解質膜2の両面に触媒層3が形成されたものを触媒層−電解質膜積層体10という。触媒層3は、電解質膜2よりも一回り小さく形成されているために電解質膜2の外周縁部21上には触媒層3が形成されていないが、図6に示すように電解質膜2と同じ大きさに形成することもできる。なお、電解質膜2の外周縁から触媒層3の外周縁までの距離C(図3参照)は、0〜5mmであることが好ましい。また、電解質膜2の厚さは、通常20〜250μm程度、好ましくは20〜80μm程度であり、触媒層3の厚さは、通常5〜200μm程度、好ましくは10〜100μm程度である。
補強膜4は、中央に開口部41が形成された枠状であり、燃料電池の発電に用いられる燃料ガスや酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層42と、触媒層−電解質膜積層体10と溶着する溶着層43とから構成されている。補強膜4は、溶着層43が触媒層−電解質膜積層体10に溶着することで触媒層−膜積層体10に接合されている。また、この補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10との接合をより強固にするために、複数の繊維状物質9が補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10との間にわたって延びている(図3参照)。なお、補強膜4が触媒層−電解質膜積層体10に接合した状態では、補強膜4の内周縁部における溶着層43が触媒層3の外周縁部31に溶着するとともに、補強膜4の開口部41から触媒層3の外周縁部31を除いた部分が露出している。ガスバリア層42の膜厚は、5〜50μmとすることが好ましく、溶着層43の膜厚は、1〜50μmとすることが好ましい。また、触媒層3の外周縁から補強膜4の内周縁までの距離B(図3参照)は、1〜10mmとすることが好ましい。
また、補強膜4は、電解質膜2よりも一回り大きく形成されており、電解質2の外周縁部21上に溶着するとともに、電解質膜2の外側で電解質膜2からはみ出た各補強膜4の外周縁部45同士が溶着している。なお、補強膜4は電解質膜2と同じ大きさに形成することもできる。この補強膜4の外周縁から電解質膜2の外周縁までの距離D(図3参照)は0〜100mmであることが好ましい。このように、触媒層−電解質膜積層体10に補強膜4が溶着されたものが、本発明の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体に相当する。
補強膜4の開口部41から露出している触媒層3上に平面視矩形状の導電性多孔質基材5が形成されている。この導電性多孔質基材5の外周縁から補強膜4の内周縁までの距離A(図3参照)は、0〜5mmであることが好ましい。このように、触媒層3上に導電性多孔質基材5が形成されて電極Eを構成しており、電解質膜2の両面に電極Eが形成されたものを膜電極接合体20という。なお、膜電極接合体20に補強膜4が溶着されているものが、本発明の補強膜付き膜電極接合体に相当する。
そして、電極Eの周囲を囲むように枠状のガスケット6が設置されているとともに、電極E及びガスケット6上にセパレータ7が設置されている。セパレータ7は、導電性多孔質基材5と対向する領域にガス流路71が形成されている。
次に上述したように構成された固体高分子形燃料電池1の各構成要素の材質について説明する。
電解質膜2は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例として、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常5〜60重量%程度、好ましくは20〜40重量%程度である。なお、上記の水素イオン伝導性高分子電解質膜以外には、アニオン導電性固高分子電解質膜や液状物質含浸膜も挙げられる。アニオン伝導性電解質膜としては炭化水素系樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられ、具体例としては炭化水素系樹脂としては、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)A201,211,221や、トクヤマ(株)製のネオセプタ(登録商標)AM−1,AHA等が挙げられ、フッ素系樹脂としては、東ソー(株)製のトスフレックス(登録商標)IE−SF34等が挙げられる。また液状物質含浸膜としては、例えばポリベンゾイミダゾール(PBI)が挙げられる。
触媒層3は、公知の白金含有の触媒層(カソード触媒及びアノード触媒)とすることができる。具体的には、触媒粒子を担持させた炭素粒子と、水素イオン伝導性高分子電解質とを含有する。水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜2に使用されるものと同じ材料を使用することができる。
触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。
炭素粒子は、導電性を有しているものであれば限定的ではなく、公知又は市販のものを広く使用できる。例えば、カーボンブラックや、黒鉛、活性炭等を1種又は2種以上で用いることができる。カーボンブラックの例としては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等を挙げることができる。炭素粒子の算術平均粒子径は通常5nm〜200nm程度、好ましくは20〜80nm程度である。この炭素粒子の平均粒子径は、例えば、粒子径分布測定装置LA−920:(株)堀場製作所製等により測定できる。
補強膜4は、ガスバリア層42と溶着層43とから構成されているが、ガスバリア層42は、水蒸気、水、燃料ガス及び酸化剤ガスに対するバリア性を有するポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルテンペン、ポリフェニレンオキサイド、ポリサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドなどを好ましく使用することができる。なお、ポリエステルは、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート等を挙げることができる。
また、溶着層43の材料としては、ポリオレフィン系樹脂が好ましく、例えば、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、エチレン−α・オレフィン共重合体、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリイソブテン、ポエイソブチレン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、エチレン−メタクリル酸共重合体、あるいはエチレン−アクリル酸共重合体等のエチレンと不飽和カルボン酸との共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、アイオノマー樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体等を使用することができる。またそれらを変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂、シラン変性ポリオレフィン系樹脂を使用することができ、その中でも不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリプロピレンもしくは不飽和カルボン酸で変性したポリエチレンを使用することが絶縁性もしくは耐熱性の点で好ましい。
導電性多孔質基材5としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種の導電性多孔質基材を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層3に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
ガスケット6としては、熱プレスに耐えうる強度を保ち、かつ、外部に燃料及び酸化剤を漏出しない程度のガスバリア性を有しているものを使用することができ、例えば、ポリエチレンテレフタレートシートやテフロン(登録商標)シート、シリコンゴムシート等を例示することができる。
セパレータ7としては、公知であり、燃料電池内の環境においても安定な導電性板であればよく、一般的には、カーボン板にガス流路71を形成したものが用いられる。また、セパレータ7をステンレス等の金属により構成し、金属の表面にクロム、白金族金属又はその酸化物、導電性ポリマーなどの導電性材料からなる被膜を形成したものや、同様にセパレータを金属によって構成し、該金属の表面に銀、白金族の複合酸化物、窒化クロム等の材料によるメッキ処理を施したもの等も使用可能である。
繊維状物質9としては、金属、無機、有機高分子などの使用が可能である。具体例として、マグネシウム合金やステンレスやチタンなどの金属繊維、気相成長法炭素繊維(VGCF(登録商標))、カーボンナノチューブ、ワイヤーカップ、ワイヤーウォールなどの炭素繊維や、ガラス繊維などの無機繊維やアルミナウィスカー・シリカウィスカーなどの無機ウィスカー、その他ポリエステルやポリアミドなどの人工高分子、綿や絹などの動物・植物繊維やウォラストナイトなどの天然繊維、セルロースやデキストランなどの多糖類やコラーゲンやセリシンそしてアルブミンなどポリペプチドを用いた再生繊維およびこれらの誘導体、複合体が挙げられる。中でも、好ましい繊維状物質9としては、耐熱性、耐腐食性、繊維強度の点よりVGCF、ガラス繊維、ステンレス金属繊維が挙げられる。これらの繊維は、1種又は2種以上を使用することができる。繊維径は限定的でなく、平均が50〜400nm、好ましくは100〜250nm程度とすればよい。繊維長も限定的でなく、平均が5〜500μm、好ましくは10〜200μm程度とすればよい。なお、繊維状物質9の繊維径、繊維長は、走査型電子顕微鏡(SEM)等により測定した画像等により測定できる。
次に上述した固体高分子形燃料電池1の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図4は、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池1の製造方法を示す説明図である。
図4に示すように、上述した材料からなる電解質膜2を準備し、この電解質膜2の両面に触媒層形成用転写シート8を重ねて配置する(図4(a))。この触媒層形成用転写シート8とは、転写される触媒層3が転写用基材81に形成されたものである。
ここで触媒層形成用転写シート8の製造方法について説明する。まず、上述した触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層3が所望の膜厚になるよう、触媒ペーストを転写用基材81上に塗工・乾燥して触媒層3を形成する。必要に応じて離型層を介して触媒ペーストを転写用基材81上に塗工する。各触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写用基材81上に触媒層3が形成される。乾燥温度は、通常40〜100℃程度、好ましくは60〜80℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常5分〜2時間程度、好ましくは10分〜1時間程度である。
上記各触媒ペーストに使用される溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、tert−ブタノール、等の炭素数1〜4の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。
転写用基材81としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、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)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。さらに転写用基材81は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。転写用基材81の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常6〜100μm程度、好ましくは10〜30μm程度とするのがよい。従って、転写用基材81としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
図4に戻って、固体高分子形燃料電池の製造方法について説明を続ける。上述したように作製した触媒層形成用転写シート8を触媒層3が電解質膜1に対面するように配置し(図4(a))、転写シート8の背面側から加熱プレスを施して触媒層3を電解質膜2に転写させて、転写シート8の転写用基材81を剥離する(図4(b))。作業性を考慮すると、触媒層3を電解質膜2の両面に同時に積層することが好ましいが片面ずつ触媒層3を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常0.5〜20MPa程度、好ましくは1〜10MPa程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜2の破損、変形等を避けるために、通常200℃以下、好ましくは150℃以下がよい。このように電解質膜2の両面に触媒層3を形成することで触媒層−電解質膜積層体10が形成される。
次に、このようにして形成された触媒層−電解質膜積層体10に、補強膜4を取り付ける(図4(c))。この補強膜4の製造方法について説明すると、まず、上述した材料からなるシート状のガスバリア層42を準備する。そして、上述した溶着層43の材料を溶融した状態にし、これに上述した材料からなる繊維状物質9を混練して添加する。このように繊維状物質9が添加された溶融状態の溶着層材料を溶融押し出し法によってガスバリア層42上に押し出し、繊維状物質9を含む溶着層43をガスバリア層42上に形成することで補強膜4を作製する。なお、繊維状物質と溶着樹脂からなる溶着層組成物において繊維状物質9の含有量は、樹脂成分と繊維状物質を100重量部とした場合、5〜50重量部とすることが好ましく、さらに好ましくは10〜30重量部である。繊維状物質の含有量を5%以上とすることで繊維状物質9のアンカー効果による補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10との接合を強固にすることができ、また、50%以下とすることで溶着層43の溶着による補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10との接合を強固にすることができる。
以上のように作製した補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10に接合させる(図4(c))。この工程について図5を参照しつつ詳細に説明する。上述した材料からなる2枚の補強膜4を溶着層43同士が向き合うよう重ねて、1辺を残した残り3辺を互いに溶着させる。これによって、2枚の補強膜4は、コ字状に溶着部が形成されるとともに、左側の一辺が開口している袋体となる(図5(a))。また、補強膜4の溶着層43同士を溶着させることで、溶着層43内に含まれる繊維状物質9が対向する各溶着層43間にわたって延びた状態となる。なお、溶着方法は種々の公知の方法を採用することができ、例えば、高周波溶着や、熱風式溶着、熱板式溶着、インパルス式溶着、コテ式溶着、超音波溶着などによって溶着させることができる。
補強膜4によって袋体を形成すると、次に、この袋体を構成する各補強膜4の中央部に易除去領域44を形成する(図5(b))。易除去領域44の大きさは、触媒層3の外周縁部31を除いた部分とほぼ同じとする。なお、この易除去領域44とは、容易に取り除ける領域のことをいい、例えば、その外周縁にミシン目を入れることや、一部だけ残して切込みを入れること等によって形成することができる。このように易除去領域44が形成された袋体に、その溶着されていない左側から、触媒層−電解質膜積層体10を挿入して所定位置まで移動させる(図5(c))。この所定位置とは、触媒層−電解質膜積層体10の触媒層3の外周縁部31を除いた部分が易除去領域44に対向している位置のことをいう。
触媒層−電解質膜積層体10を所定位置まで移動させた後、易除去領域44の外周縁のミシン目を切断して易除去領域44を各補強膜4から取り外すことで、各補強膜4の中央部に開口部41が形成される(図5(d))。このように易除去領域44が各補強膜4から取り外されて開口部41が形成されると、触媒層−電解質膜積層体10の触媒層3が外周縁部31を除いて各開口部41から露出した状態となる。そして、この状態で補強膜4の溶着されていなかった残りの部分を公知の方法で溶着させることで、補強膜4の溶着層43は、触媒層−電解質膜積層体10の触媒層3の外周縁部31や、電解質膜2の外周縁部21に溶着するとともに、補強膜4同士でも溶着する。なお、補強膜4をそれぞれに溶着させることによって、補強膜4の溶着層43内の繊維状物質9は、溶着層43と、触媒層3の外周縁部31及び電解質膜2の外周縁部21との間にわたって延びる状態となっている。以上の工程によって、補強膜付き電解質触媒層−電解質膜積層体が完成する(図5(e)、図4(c))。
図4に戻って、固体高分子形燃料電池1の製造方法の説明を続ける。上述した補強膜付き触媒層−電解質膜積層体の開口部41から露出している触媒層3上に、導電性多孔質基材5を熱圧着により積層形成して、補強膜付き膜電極接合体が完成する(図4(d))。そして、触媒層3及び導電性多孔質基材5からなる電極Eの周囲を囲むように補強膜4上にガスケット6を配置する。続いて、ガス流路71が導電性多孔質基材5と対向するよう、セパレータ7を導電性多孔質基材5及びガスケット6上に配置する。最後に導電性多孔質基材5とセパレータ7とが電気的に接続するようにセパレータ7で膜電極接合体を挟持することによって、固体高分子形燃料電池1が完成する(図4(e))。
以上のように、本実施形態では、補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10とが、溶着層43による溶着のみでなく、補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10との間にわたって延びる繊維状物質9のアンカー効果によっても接合されている。このため、補強膜4の剥離をより確実に防止することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、溶着層43と触媒層−電解質膜積層体10との間全体において繊維状物質9が延びていたが、補強膜4が剥離しやすい箇所は内周縁部であるため、図7に示すように、溶着層43の内周縁部と触媒層3の外周縁部31との間のみに繊維状物質9が延びていてもよい。
また、上記実施形態では、溶着層43のみに繊維状物質9を含ませていたが、触媒層3の外周縁部31内に繊維状物質9を含ませたり、もしくは溶着層43及び触媒層3の外周縁部31の両方に繊維状物質9を含ませてもよい。この触媒層3へ繊維状物質9を含ませる方法は、上述した触媒ペースト内に上述した材料からなる繊維状物質9を混練する方法などが挙げられる。
また、図8に示すように、導電性多孔質基材5の外周縁部51上に補強膜4の内周縁部を溶着させ、補強膜4の開口部41から導電性多孔質基材5の外周縁部51を除いた部分が露出するように構成することもできる。この場合、繊維状物質9は、溶着層43と導電性多孔質基材5の外周縁部51との間にわたって延びている。
また、上記実施形態では、補強膜4を一旦、袋体にして、触媒層−電解質膜積層体10を挿入するという製造方法を採用しているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、触媒層−電解質膜積層体10の両面に、予め開口部41が形成された補強膜4を、溶着層43が触媒層−電解質膜積層体10を向くようにそれぞれ配置し、公知の溶着方法などによって触媒層−電解質膜積層体10の両面に補強膜4を溶着させて、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を作製することもできる。
また、上記実施形態では、補強膜4は、ガスバリア層42と溶着層43の2層から構成されているが、特にこの層構成に限定されるわけではない。例えば、図9に示すように、補強膜4を第1の溶着層43及びガスバリア層42と、これらの間に介在する第2の溶着層46とを備えた3層構成とすることができる。このような層構成とした場合、触媒層−電解質膜積層体10と接する第1の溶着層43のみに繊維状物質9を含有させる。このように構成することで第1の溶着層43に多量の繊維状物質9を含有させることができる。すなわち、ガスバリア層42と溶着層43との2層構成のときは、繊維状物質9の含有量を多くするとガスバリア層42と溶着層43との接合が弱くなる可能性があった。これに対して、第1の溶着層43、第2の溶着層46、及びガスバリア層42とした3層構成の補強膜4は、繊維状物質9を含まない第2の溶着層46がガスバリア層42及び第1の溶着層43に良好に接合するため、第1の溶着層43に多量の繊維状物質9を含有させても層剥離することがない。なお、この場合は繊維状物質9の含有量を樹脂成分と繊維状物質を100重量部とした場合に40重量部〜70重量部とすることができる。
また、上記実施形態では、固体高分子形燃料電池1を構成する電解質膜2や触媒層3、導電性多孔質基材5など全て平面視矩形状として説明したが、特に形状は限定されるものではなく、例えば平面視円形状とすることもできる。
また、上記実施形態では、触媒層−電解質膜積層体10の両面に補強膜4が設けられているが、図10に示すように、補強膜4を触媒層−電解質膜10の片面のみに設けることもできる。なお、この場合、補強膜4が設置されていない側のガスケット6は、補強膜4の裏側や電解質膜2の外周縁部に設置された状態となっている。また、補強膜4が設置されていない側のガス拡散層5は、触媒層3と同じ大きさに形成されていてもよいし、触媒層3よりも一回り小さく形成されていてもよい。補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10の片面のみに形成する場合は、アノード側、カソード側のどちらに形成しても電解質膜2の膨潤収縮を抑制することができるが、アノード側に形成することで、燃料電池を低加湿又は無加湿運転した際のアノード側の電解質膜2の収縮をより効果的に抑制することができる。また、カソード側に形成することで、生成水による電解質膜2の膨張をより効果的に抑制することができる。
また、触媒層−電解質膜積層体10の両面に補強膜4が形成された上記実施形態では、触媒層−電解質膜積層体10の両面において、繊維状物質9が補強膜4と触媒層−電解質膜積層体10との間にわたって延びているが、図11に示すように、触媒層−電解質膜積層体10の片面側のみにおいて、繊維状物質9が補強膜4と触媒層積層体10との間にわたって延びていてもよい。
また、上記実施形態では、カソード側とアノード側の触媒層3の大きさは同じに形成されているが、カソード側の触媒層3とアノード側との触媒層3を互いに異なる大きさに形成することもできる。なお、この場合は、アノード側の触媒層3の大きさをカソード側の触媒層3よりも大きくすることがラジカルの生成を防止する観点から好ましいが、特にこれに限定されるわけではなく、カソード側の触媒層3を大きく形成してもよい。また、これと同様に、導電性多孔質基材5をカソード側とアノード側とで大きさが異なるように形成することもできる。また、その他にも、補強膜4の開口部41の大きさをカソード側とアノード側とで異ならせることもできる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1
電解質膜2は、63×63mmの大きさに切断された膜厚53μmのNRE212CS(Dupont社製)を使用した。
電解質膜2は、63×63mmの大きさに切断された膜厚53μmのNRE212CS(Dupont社製)を使用した。
次に、触媒層形成用転写シート8を次の要領で作製した。まず、白金触媒担持カーボン(白金担持量:45.7wt%、田中貴金属社製、TEC10E50E)2gに、1−ブタノール10g、3−ブタノール10g、フッ素樹脂(5wt%ナフィオンバインダー、デュポン社製)20g及び水6gを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより、触媒ペーストを調製した。そして、転写用基材81としてポリエステルフィルム(東レ製
、X44、膜厚25μm)を準備し、この転写用基材81上に上記触媒ペーストを塗布した。
、X44、膜厚25μm)を準備し、この転写用基材81上に上記触媒ペーストを塗布した。
以上のように作製した触媒層形成用転写シート8を53×53mmの大きさに切断し、電解質膜2の両面それぞれに触媒層3が電解質膜2側を向くようにそれぞれの中心を合わせて配置した。そして、135℃、5.0MPa、150秒の条件で熱プレスすることで、電解質膜2の両面に触媒層3を形成し、触媒層−電解質膜積層体10を作製した。なお、触媒層3の厚さは20μmである。
続いて、補強膜4を作製した。補強膜4のガスバリア層42として、二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)を使用した。そして、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに、炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練したものを溶融押出し法により、上記ガスバリア層42上に30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。そして、補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10の両面に中心を合わせ配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強膜4を電解質膜−触媒層接合体10に溶着し、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を作製した。
さらに続いて、開口部41から露出している触媒層3上に、導電性多孔質基材5として、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)を積層し、補強膜付き膜電極接合体を形成した。
実施例2
補強膜4の材料及び繊維状物質9の材料が異なる点以外は、上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。なお、補強膜4は、ガスバリア層42として、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(帝人社製、テフレックス、膜厚20μm)を使用した。また、溶着層43の材料として不飽和カルボン酸グラフト変性ポリエチレンを使用し、繊維状物質9の材料としては、X-SMF300UE-EP(JFEテクノリサーチ社製)を使用した。なお、繊維状物質9の重量比は15%とし、溶着層43の厚さは30μmの厚さとした。
補強膜4の材料及び繊維状物質9の材料が異なる点以外は、上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。なお、補強膜4は、ガスバリア層42として、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(帝人社製、テフレックス、膜厚20μm)を使用した。また、溶着層43の材料として不飽和カルボン酸グラフト変性ポリエチレンを使用し、繊維状物質9の材料としては、X-SMF300UE-EP(JFEテクノリサーチ社製)を使用した。なお、繊維状物質9の重量比は15%とし、溶着層43の厚さは30μmの厚さとした。
実施例3
繊維状物質9の材料をVGCF20%から石英ウールBグレート 6-570-02(アズワン社製)をボールミルで一昼夜粉砕した粉砕石英ウールに変えた点以外は上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。
繊維状物質9の材料をVGCF20%から石英ウールBグレート 6-570-02(アズワン社製)をボールミルで一昼夜粉砕した粉砕石英ウールに変えた点以外は上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。
実施例4
補強膜4のガスバリア層42、溶着層43を変更した点以外は、上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。溶着層43の形成方法は、まずガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(帝人社製、テフレックス、膜厚20μm)を準備し、この中央に50×50mmの大きさの開口部を形成した。そして、この内周縁から1cmの幅の内周縁部に、上記実施例1で用いた繊維状物質9が含有された溶融させた状態の溶着層43材料をホットメルトガンでパターン塗工した。そして、ガスバリア層42の残りの部分には、繊維状物質9が含有されていない不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンをホットメルトガンにてパターン塗工した。
補強膜4のガスバリア層42、溶着層43を変更した点以外は、上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。溶着層43の形成方法は、まずガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(帝人社製、テフレックス、膜厚20μm)を準備し、この中央に50×50mmの大きさの開口部を形成した。そして、この内周縁から1cmの幅の内周縁部に、上記実施例1で用いた繊維状物質9が含有された溶融させた状態の溶着層43材料をホットメルトガンでパターン塗工した。そして、ガスバリア層42の残りの部分には、繊維状物質9が含有されていない不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンをホットメルトガンにてパターン塗工した。
実施例5
補強膜4を3層構成にした点以外は上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。補強膜4は、まず上記実施例1と同じガスバリア層42を準備した。このガスバリア層42上に、溶融押し出し法を用いて不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを厚さ20μmで押し出し第2の溶着層46を形成した。そして、繊維状物質9としてX-SMF300UE-EP(JFEテクノリサーチ社製)を重量比40%含む不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを厚さ10μmで塗工し、第2の溶着層46上に第1の溶着層43を形成し、3層構成の補強膜4を作製した。
補強膜4を3層構成にした点以外は上記実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。補強膜4は、まず上記実施例1と同じガスバリア層42を準備した。このガスバリア層42上に、溶融押し出し法を用いて不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを厚さ20μmで押し出し第2の溶着層46を形成した。そして、繊維状物質9としてX-SMF300UE-EP(JFEテクノリサーチ社製)を重量比40%含む不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを厚さ10μmで塗工し、第2の溶着層46上に第1の溶着層43を形成し、3層構成の補強膜4を作製した。
実施例6
触媒層3の材料を変更した点以外は、実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。触媒層3の材料として、白金触媒担持カーボン(白金担持量:45.7wt%、田中貴金属社製、TEC10E50E)2g、VGCF標準品(昭和電工社製)0,1gに、1−ブタノール10g、3−ブタノール10g、フッ素樹脂(5wt%ナフィオンバインダー、デュポン社製)20g及び水6gを加えたものを使用した。
触媒層3の材料を変更した点以外は、実施例1と同様の補強膜付き膜電極接合体を作製した。触媒層3の材料として、白金触媒担持カーボン(白金担持量:45.7wt%、田中貴金属社製、TEC10E50E)2g、VGCF標準品(昭和電工社製)0,1gに、1−ブタノール10g、3−ブタノール10g、フッ素樹脂(5wt%ナフィオンバインダー、デュポン社製)20g及び水6gを加えたものを使用した。
実施例7
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した
続いて、補強膜4を作製した。より詳細には、カソード側の補強膜4は、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練し、これを溶融押出し法により、ガスバリア層42である二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)上に30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した
続いて、補強膜4を作製した。より詳細には、カソード側の補強膜4は、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練し、これを溶融押出し法により、ガスバリア層42である二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)上に30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
また、アノード側の補強膜4は、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを、溶融押出し法により、ガスバリア層42である二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)上に30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
そして、これらアノード側の補強膜4及びカソード側の補強膜4で触媒層−電解質膜積層体10を挟むよう補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10の両面にそれぞれの中心を合わせて配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強膜4を電解質膜−触媒層接合体10に溶着し、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を作製した。
さらに続いて、開口部41から露出している触媒層3上に、導電性多孔質基材5として、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−09厚さ280μm)を積層し、補強膜付き膜電極接合体を形成した。
実施例8
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した
続いて、補強膜4を作製した。より詳細には、ガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)を使用した。そして、このガスバリア層42上に、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練したものを溶融押出し法により30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した
続いて、補強膜4を作製した。より詳細には、ガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)を使用した。そして、このガスバリア層42上に、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練したものを溶融押出し法により30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
そして、上述したように作製した補強膜4を、触媒層−電解質膜積層体10のカソード側のみに互いの中心を合わせて配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10のカソード側のみに溶着し、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を作製した。
さらに続いて、カソード側において、補強膜4の開口部41から露出している触媒層3上に、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)を導電性多孔質基材5として積層した。また、アノード側においては、触媒層3の上に53mm×53mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090)を導電性多孔質基材5として積層し、補強膜付き膜電極接合体を形成した。
実施例9
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した。
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した。
続いて、補強膜4を作製した。アノード側の補強膜4は、ガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)を使用した。そして、このガスバリア層42上に、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練したものを、溶融押出し法により30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
また、カソード側の補強膜4は、ガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)を使用した。そして、このガスバリア層42上に、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンを溶融押出し法により0μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
そして、これら各補強膜4によって触媒層−電解質膜積層体10を挟むように各補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10の両面にそれぞれの中心を合わせて配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10に溶着し、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を作製した。
さらに続いて、各開口部41から露出している触媒層3上に、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−09厚さ280μm)を導電性多孔質基材5として積層し、補強膜付き膜電極接合体を形成した。
実施例10
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した。
まず、実施例1と同様の触媒層−電解質膜積層体10を作製した。
続いて、補強膜4を作製した。より詳細には、ガスバリア層42として二軸延伸ポリエチレンナフタレート(帝人社製、テオネックス、膜厚12μm)を使用した。そして、このガスバリア層42上に、溶融させた状態の不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレンに炭素繊維VGCF標準品(昭和電工社製)が重量比20%となるよう混練したものを、溶融押出し法により30μmの厚さで押し出して溶着層43を形成した。この補強膜4を80×80mmの大きさに切断し、その中央部に50×50mmの大きさの開口部41を形成した。
そして、上述したように作製した補強膜4を、触媒層−電解質膜積層体10のアノード側のみに互いの中心を合わせ配置し、130℃、1.0MPa、30秒の条件で熱プレスすることで補強膜4を触媒層−電解質膜積層体10のアノード側のみに溶着し、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体を作製した。
さらに続いて、アノード側において、補強膜4の開口部41から露出している触媒層3上に、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)を導電性多孔質基材5として積層した。また、カソード側においては、触媒層3の上に53mm×53mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090)を導電性多孔質基材5として積層し、補強膜付き膜電極接合体を形成した。
比較例
電解質膜2は、80×80mmの大きさに切断された膜厚53μmのNRE212CS(Dupont社製)を使用した。
電解質膜2は、80×80mmの大きさに切断された膜厚53μmのNRE212CS(Dupont社製)を使用した。
次に、実施例1と同様の方法で触媒層形成用転写シート8を作成し、これを50×50mmの大きさに切断し、電解質膜2の両面それぞれに触媒層3が電解質膜2側を向くようにそれぞれの中心を合わせて配置した。そして、実施例1と同様の条件で熱プレスをし、触媒層−電解質膜積層体10を作製した。なお、触媒層3の厚さは20μmである。
続いて、触媒層−電解質膜積層体10の触媒層3上に、導電性多孔質基材5として、49×49mmの大きさに切断されたカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)を積層し、膜電極接合体を形成した。
参考例
補強膜4の溶着層43に炭素繊維を含まない以外は、実施例1と同様に補強膜付き膜電極接合体を形成した。
補強膜4の溶着層43に炭素繊維を含まない以外は、実施例1と同様に補強膜付き膜電極接合体を形成した。
評価方法
実施例1〜10及び参考例の補強膜付き膜電極接合体と比較例の膜電極接合体について、ガスケット6及びセパレータ7を設置して固体高分子形燃料電池をそれぞれ作製して負荷変動サイクル試験を実施した。この結果を表1に示した。なお、測定条件は、セル温度80℃、燃料利用率70%、酸化剤利用率40%、加湿温度50℃とした。また、負荷変動サイクル試験は、電流密度0.3A/cm2にて1分間発電した後、電流密度0.01A/cm2にて1分間発電するサイクルを繰り返した。この負荷変動サイクル試験の結果、実施例1〜10の燃料電池セルは1500時間経過しても電圧が低下することはなく、また、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の破損は見られなかった。参考例の燃料電池セルは、1000時間経過した時点で電圧が低下したが、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の破損は見られなかった。これらに対して、比較例の燃料電池セルは、300時間経過した時点で電圧が低下し、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の破損が確認された。
実施例1〜10及び参考例の補強膜付き膜電極接合体と比較例の膜電極接合体について、ガスケット6及びセパレータ7を設置して固体高分子形燃料電池をそれぞれ作製して負荷変動サイクル試験を実施した。この結果を表1に示した。なお、測定条件は、セル温度80℃、燃料利用率70%、酸化剤利用率40%、加湿温度50℃とした。また、負荷変動サイクル試験は、電流密度0.3A/cm2にて1分間発電した後、電流密度0.01A/cm2にて1分間発電するサイクルを繰り返した。この負荷変動サイクル試験の結果、実施例1〜10の燃料電池セルは1500時間経過しても電圧が低下することはなく、また、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の破損は見られなかった。参考例の燃料電池セルは、1000時間経過した時点で電圧が低下したが、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の破損は見られなかった。これらに対して、比較例の燃料電池セルは、300時間経過した時点で電圧が低下し、この負荷変動サイクル試験後に電解質膜を確認したところ、電解質膜の破損が確認された。
1 固体高分子形燃料電池
2 イオン伝導性高分子電解質膜
3 触媒層
31 外周縁部
4 補強膜
41 開口部
42 ガスバリア層
43 第1の溶着層
46 第2の溶着層
5 導電性多孔質基材
51 外周縁部
6 ガスケット
7 セパレータ
9 繊維状物質
10 触媒層−電解質膜積層体
20 膜電極接合体
2 イオン伝導性高分子電解質膜
3 触媒層
31 外周縁部
4 補強膜
41 開口部
42 ガスバリア層
43 第1の溶着層
46 第2の溶着層
5 導電性多孔質基材
51 外周縁部
6 ガスケット
7 セパレータ
9 繊維状物質
10 触媒層−電解質膜積層体
20 膜電極接合体
Claims (12)
- イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体と、
中央に開口部が形成されており、内周縁部が前記触媒層の外周縁部上に載置された状態で、前記触媒層−電解質膜積層体の少なくとも一方面に溶着された補強膜と、
少なくとも前記触媒層の外周縁部と前記補強膜の内周縁部との間にわたって延びる複数の繊維状物質と、
を備えた、補強膜付き触媒層−電解質膜積層体。 - 前記触媒層−電解質膜積層体の両面に補強膜がそれぞれ溶着されており、
前記繊維状物質は、前記触媒層−電解質膜積層体の少なくとも一方面側において、前記触媒層の外周縁部と前記補強膜の内周縁部との間にわたって延びる、請求項1に記載の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体。 - 前記電解質膜が前記触媒層よりも一回り大きい場合、前記電解質膜と前記補強膜との間にわたって延びる複数の繊維状物質をさらに備えた、請求項1又は2に記載の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体。
- 前記補強膜は、前記触媒層−電解質膜積層体に溶着する第1の溶着層と、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層とを有する、請求項1〜3のいずれかに記載の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体。
- 前記補強膜は、前記第1の溶着層と前記ガスバリア層との間に第2の溶着層をさらに有し、前記繊維状物質は、前記第1の溶着層と前記触媒層との間にわたって延びる、請求項4に記載の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体。
- 請求項1から5のいずれかに記載の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体と、
前記補強膜の開口部から露出する前記触媒層上に積層される導電性多孔質基材と、
を備えた、補強膜付き膜電極接合体。 - イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層上に導電性多孔質基材が形成された膜電極接合体と、
中央に開口部が形成されており、内周縁部が前記導電性多孔質基材の外周縁部上に載置された状態で、前記膜電極接合体の少なくとも一方面に溶着された補強膜と、
前記導電性多孔質基材の外周縁部と前記補強膜の内周縁部との間にわたって延びる複数の繊維状物質と、
を備えた、補強膜付き膜電極接合体。 - 前記膜電極接合体の両面に補強膜がそれぞれ溶着されており、
前記繊維状物質は、前記膜電極接合体の少なくとも一方面側において、前記導電性多孔質基材の外周縁部と前記補強膜の内周縁部との間にわたって延びる、請求項7に記載の補強膜付き触媒層−電解質膜積層体。 - 前記電解質膜が前記触媒層よりも一回り大きい場合、前記電解質膜と前記補強膜との間にわたって延びる複数の繊維状物質をさらに備えた、請求項7又は8に記載の補強膜付き膜電極接合体。
- 前記補強膜は、前記膜電極接合体に溶着する第1の溶着層と、燃料ガス及び酸化剤ガスの透過を防止するガスバリア層と、を有する、請求項7〜9のいずれかに記載の補強膜付き膜電極接合体。
- 前記補強膜は、前記第1の溶着層と前記ガスバリア層との間に第2の溶着層をさらに有し、前記繊維状物質は、前記第1の溶着層と前記導電性多孔質基材との間にわたって延びる、請求項7〜10のいずれかに記載の補強膜付き膜電極接合体。
- 請求項6から11のいずれかに記載の補強膜付き膜電極接合体と、
前記各補強膜上に設置されたガスケットと、
前記ガスケットが設置された補強膜付き膜電極接合体を両側から挟持するよう設置されたセパレータと、
を備えた、固体高分子形燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009215829A JP2010257930A (ja) | 2009-03-31 | 2009-09-17 | 補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009084162 | 2009-03-31 | ||
JP2009215829A JP2010257930A (ja) | 2009-03-31 | 2009-09-17 | 補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010257930A true JP2010257930A (ja) | 2010-11-11 |
Family
ID=43318600
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009215829A Pending JP2010257930A (ja) | 2009-03-31 | 2009-09-17 | 補強膜付き触媒層−電解質膜積層体、補強膜付き膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2010257930A (ja) |
-
2009
- 2009-09-17 JP JP2009215829A patent/JP2010257930A/ja active Pending
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