JP2012018793A - Electrode-membrane-frame assembly and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散型(オンサイト型)発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される高分子電解質型燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える電極−膜−枠接合体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used as a driving source for a mobile body such as an automobile, a distributed (on-site) power generation system, a household cogeneration system, and the like, and particularly, the fuel cell is provided. The present invention relates to an electrode-membrane-frame assembly and a method for producing the same.
燃料電池(FC)は、発電効率が高く、環境への負荷も小さいことから、分散型エネルギーシステムとして、今後の普及が見込まれている。なかでも、プロトン伝導性を有する高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高く、その作動温度が低く、小型化が可能であることから、自動車などの移動体、分散型発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどに利用されることが期待されている。 Fuel cells (FC) are expected to be widely used as distributed energy systems because of their high power generation efficiency and low environmental impact. In particular, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolytes with proton conductivity are high in power density, low in operating temperature, and can be miniaturized. It is expected to be used in power generation systems and household cogeneration systems.
高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。 A polymer electrolyte fuel cell is an apparatus that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air.
高分子電解質型燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。1つのセルは、膜電極接合体(以下、MEA:Membrane-Electrode-Assemblyという)を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。MEAは、ハンドリング性を向上させるため又は高分子電解質膜とセパレータとの間をシールするため、その外周部を、額縁状に成形された樹脂製の枠体で保持されている。ここでは、当該枠体を備えるMEAを電極−膜−枠接合体という。 A polymer electrolyte fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells and pressurizing them with a fastening member such as a bolt. One cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane-Electrode-Assembly) between a pair of plate-like conductive separators. In order to improve the handling property or to seal between the polymer electrolyte membrane and the separator, the MEA has an outer peripheral portion held by a resin frame formed into a frame shape. Here, the MEA including the frame is referred to as an electrode-membrane-frame assembly.
MEAは、外周部を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成された一対の電極層とで構成されている。一対の電極層の一方はアノード電極であり、一対の電極層の他方はカソード電極である。アノード電極及びカソード電極は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤が供給されることにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。 The MEA is composed of a polymer electrolyte membrane whose outer peripheral portion is supported by the frame body, and a pair of electrode layers formed on both surfaces of the electrolyte membrane. One of the pair of electrode layers is an anode electrode, and the other of the pair of electrode layers is a cathode electrode. The anode electrode and the cathode electrode are composed of a catalyst layer made of platinum or the like formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, and a porous and conductive gas diffusion layer formed on the catalyst layer. When the fuel gas is supplied to the anode electrode and the oxidant is supplied to the cathode electrode, an electrochemical reaction occurs, and electric power and heat are generated.
前記構成を有する高分子電解質型燃料電池においては、長期間の運転により、発電性能が低下するという課題がある。この発電性能の低下の原因の1つとして、運転時に過酸化水素(H2O2)が生成されることに起因する高分子電解質膜や電極層の劣化が挙げられる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, there is a problem that power generation performance is deteriorated by long-term operation. One of the causes of the decrease in power generation performance is the deterioration of the polymer electrolyte membrane and the electrode layer due to the generation of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) during operation.
運転時に過酸化水素が生成されることによって高分子電解質膜や電極層が劣化することは、例えば、特許文献1(特開2008−98006号公報)及び特許文献2(特開2005−267904号公報)などで指摘されている。過酸化水素は、アノード電極及びカソード電極のいずれにおいても意図せず生成され、何らかの条件下でラジカル化して高分子電解質膜や電極層を劣化させる。この高分子電解質膜や電極層の劣化は、特に、電極層の外周部と高分子電解質膜との界面付近で顕著に生じる。 For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-98006) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-267904) describe that polymer electrolyte membranes and electrode layers deteriorate due to the generation of hydrogen peroxide during operation. ) Etc. Hydrogen peroxide is generated unintentionally in both the anode electrode and the cathode electrode, and is radicalized under some conditions to deteriorate the polymer electrolyte membrane and the electrode layer. The deterioration of the polymer electrolyte membrane and the electrode layer occurs remarkably near the interface between the outer periphery of the electrode layer and the polymer electrolyte membrane.
前記課題を改善するため、特許文献1には、過酸化水素などの過酸化物を分解させる過酸化物分解触媒をガス拡散層の外周部の近傍に、他の部分よりも高濃度に存在させる技術が開示されている。 In order to improve the above problem, Patent Document 1 discloses that a peroxide decomposition catalyst for decomposing a peroxide such as hydrogen peroxide is present at a higher concentration in the vicinity of the outer peripheral portion of the gas diffusion layer than in other portions. Technology is disclosed.
また、特許文献2には、高分子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を配置する技術が開示されている。なお、特許文献2のシール部材は、前記枠体に相当する部材である。 Patent Document 2 discloses a technique in which a peroxide decomposition catalyst is disposed on a seal member that seals between a polymer electrolyte membrane and a separator. In addition, the sealing member of patent document 2 is a member equivalent to the said frame.
前述したように、高分子電解質膜や電極層の劣化は、特に、電極層の外周部と高分子電解質膜との界面付近で顕著に生じる。これは、セルを加圧締結する際に、電極層の外周部に締結圧が集中し、当該電極層の外周部に隣接する高分子電解質膜の膜厚が薄くなって反応ガスのクロスリークの量が増加し、それにより過酸化水素の生成が多くなるためと考えられる。この過酸化水素の生成が増加する範囲は、電極層の外周部よりも内側及び外側の比較的広範囲にわたる。 As described above, the deterioration of the polymer electrolyte membrane and the electrode layer occurs remarkably near the interface between the outer periphery of the electrode layer and the polymer electrolyte membrane. This is because when the cell is pressure-fastened, the fastening pressure is concentrated on the outer peripheral portion of the electrode layer, the polymer electrolyte membrane adjacent to the outer peripheral portion of the electrode layer is thinned, and cross-leakage of the reaction gas occurs. This is thought to be due to an increase in the amount and an increase in the production of hydrogen peroxide. The range in which the production of hydrogen peroxide increases is relatively wide on the inside and outside of the outer periphery of the electrode layer.
従って、前記特許文献1の技術では、電極層の外周部よりも外側における高分子電解質膜や電極層の劣化を抑えることはできない。また、前記特許文献2のシール部材は、高分子電解質膜の厚み方向から見て、電極層の外周部よりも外側に配置されるものであるため、電極層の外周部よりも内側における高分子電解質膜や電極層の劣化を抑えることはできない。 Therefore, the technique of Patent Document 1 cannot suppress deterioration of the polymer electrolyte membrane or the electrode layer outside the outer peripheral portion of the electrode layer. In addition, since the sealing member of Patent Document 2 is disposed outside the outer peripheral portion of the electrode layer as viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, the polymer on the inner side of the outer peripheral portion of the electrode layer. Deterioration of the electrolyte membrane and electrode layer cannot be suppressed.
また、前記特許文献1の技術において、ガス拡散層中における過酸化物分解触媒の濃度を自在にコントロールすることは容易ではない。また、ガス拡散層中に過酸化物分解触媒を含有させると、過酸化物分解触媒が反応ガスの流れを阻害して、その分、発電性能が低下してしまうという課題もある。 In the technique of Patent Document 1, it is not easy to freely control the concentration of the peroxide decomposition catalyst in the gas diffusion layer. In addition, when a peroxide decomposition catalyst is contained in the gas diffusion layer, the peroxide decomposition catalyst obstructs the flow of the reaction gas, and there is a problem that the power generation performance is reduced accordingly.
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、高分子電解質膜や電極層の劣化を抑えて発電性能の低下を一層抑えることができる電極−膜−枠接合体及び当該接合体を備える高分子電解質型燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an electrode-membrane-frame assembly that can suppress deterioration of a polymer electrolyte membrane and an electrode layer and further suppress a decrease in power generation performance, and the junction. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell including a body.
本発明によれば、高分子電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の外周部と重なるように配置された額縁状の枠体と、
を備える電極−膜−枠接合体であって、
前記電解質膜の少なくとも一方の主面側に、過酸化物分解触媒を含む額縁状の過酸化物分解触媒層を備え、
前記電解質膜の前記一方の主面側において、
前記過酸化物分解触媒層の内縁は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の内縁よりも内側に位置し、
前記過酸化物分解触媒層の外縁は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁よりも外側に位置する、
電極−膜−枠接合体を提供する。
According to the present invention, a polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
A frame-like frame disposed so as to overlap with the outer peripheral portion of the electrolyte membrane as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane;
An electrode-membrane-frame assembly comprising:
A frame-shaped peroxide decomposition catalyst layer including a peroxide decomposition catalyst is provided on at least one main surface side of the electrolyte membrane,
On the one main surface side of the electrolyte membrane,
The inner edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located on the inner side of the inner edge of the frame body as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The outer edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located outside the outer edge of the gas diffusion layer as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane.
An electrode-membrane-frame assembly is provided.
本発明の電極−膜−枠接合体によれば、特許文献1又は2のように過酸化物分解触媒をガス拡散層やシール部材に混入させるのではなく、過酸化物分解触媒を含む独立した額縁状の過酸化物分解触媒層を備えるように構成されている。また、本発明の電極−膜−枠接合体によれば、高分子電解質膜の厚み方向から見て、過酸化物分解触媒層の内縁が枠体の内縁よりも内側に位置し、過酸化物分解触媒層の外縁がガス拡散層の外縁よりも外側に位置するように構成されている。すなわち、過酸化物分解触媒層は、特許文献1又は2の技術では高分子電解質膜や電極層の劣化を抑えることができない、過酸化水素の生成が多い領域に延在するように配置されている。従って、本発明の電極−膜−枠接合体によれば、運転時に生成された過酸化水素を効率良く分解させることができ、高分子電解質膜や電極層の劣化を抑えて発電性能の低下を一層抑えることができる。 According to the electrode-membrane-frame assembly of the present invention, the peroxide decomposition catalyst is not mixed into the gas diffusion layer or the seal member as in Patent Document 1 or 2, but the peroxide decomposition catalyst is included independently. A frame-shaped peroxide decomposition catalyst layer is provided. Further, according to the electrode-membrane-frame assembly of the present invention, the inner edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located on the inner side of the inner edge of the frame body when viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, and the peroxide The outer edge of the cracking catalyst layer is configured to be located outside the outer edge of the gas diffusion layer. That is, the peroxide decomposition catalyst layer is arranged so as to extend to a region where hydrogen peroxide is generated, which cannot suppress deterioration of the polymer electrolyte membrane or the electrode layer by the technique of Patent Document 1 or 2. Yes. Therefore, according to the electrode-membrane-frame assembly of the present invention, hydrogen peroxide generated during operation can be efficiently decomposed, and degradation of the polymer electrolyte membrane and the electrode layer can be suppressed to reduce the power generation performance. It can be further suppressed.
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の外周部と重なるように配置された額縁状の枠体と、
を備える電極−膜−枠接合体であって、
前記電解質膜の少なくとも一方の主面側に、過酸化物分解触媒を含む額縁状の過酸化物分解触媒層を備え、
前記電解質膜の前記一方の主面側において、
前記過酸化物分解触媒層の内縁は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の内縁よりも内側に位置し、
前記過酸化物分解触媒層の外縁は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁よりも外側に位置する、
電極−膜−枠接合体を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to a first aspect of the present invention, a polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
A frame-like frame disposed so as to overlap with the outer peripheral portion of the electrolyte membrane as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane;
An electrode-membrane-frame assembly comprising:
A frame-shaped peroxide decomposition catalyst layer including a peroxide decomposition catalyst is provided on at least one main surface side of the electrolyte membrane,
On the one main surface side of the electrolyte membrane,
The inner edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located on the inner side of the inner edge of the frame body as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The outer edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located outside the outer edge of the gas diffusion layer as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane.
An electrode-membrane-frame assembly is provided.
本発明の第2態様によれば、前記過酸化物分解触媒層は、接着力を有する、第1態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the electrode-membrane-frame assembly according to the first aspect, wherein the peroxide decomposition catalyst layer has an adhesive force.
本発明の第3態様によれば、前記過酸化物分解触媒層は、前記枠体を構成する樹脂材料に対して親和性を有する高分子材料を含む、第1又は2態様に記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a third aspect of the present invention, the peroxide decomposition catalyst layer includes the polymer material having an affinity for the resin material constituting the frame, according to the first or second aspect. A membrane-frame assembly is provided.
本発明の第4態様によれば、前記過酸化物分解触媒層は、前記電解質膜を構成する高分子材料に対して親和性を有する高分子材料を含む、第1〜3態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the peroxide decomposition catalyst layer includes a polymer material having an affinity for the polymer material constituting the electrolyte membrane. The electrode-membrane-frame assembly described in 1. is provided.
本発明の第5態様によれば、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁は、前記枠体の内縁よりも外側に位置する、第1〜4態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the fifth aspect of the present invention, when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, the outer edge of the gas diffusion layer is located outside the inner edge of the frame body, and any one of the first to fourth aspects. The electrode-membrane-frame assembly described in 1. is provided.
本発明の第6態様によれば、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁は、前記枠体の内縁よりも内側に位置する、第1〜4態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the sixth aspect of the present invention, when viewed from the thickness direction of the electrolyte membrane, the outer edge of the gas diffusion layer is located on the inner side of the inner edge of the frame body, and any one of the first to fourth aspects. The electrode-membrane-frame assembly described in 1. is provided.
本発明の第7態様によれば、前記過酸化物分解触媒層は、前記電解質膜と接している、第1〜6態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to sixth aspects, wherein the peroxide decomposition catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane. .
本発明の第8態様によれば、前記過酸化物分解触媒層の少なくとも一部は、前記電解質膜と前記触媒層との間に配置されている、第1〜7態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, at least a part of the peroxide decomposition catalyst layer is disposed between the electrolyte membrane and the catalyst layer. The electrode-membrane-frame assembly described is provided.
本発明の第9態様によれば、前記過酸化物分解触媒層が前記ガス拡散層の外縁よりも内側に存在する部分の幅は、1mm以上5mm以下である、第1〜8態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, the width of the portion where the peroxide decomposition catalyst layer is present inside the outer edge of the gas diffusion layer is 1 mm or more and 5 mm or less. An electrode-membrane-frame assembly according to one is provided.
本発明の第10態様によれば、前記過酸化物分解触媒層が前記ガス拡散層の外縁よりも内側に存在する部分の幅は、反応ガスの流れ方向の下流側に位置する部分よりも上流側に位置する部分の方が大きい、第1〜9態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を提供する。 According to the tenth aspect of the present invention, the width of the portion where the peroxide decomposition catalyst layer exists inside the outer edge of the gas diffusion layer is higher than the portion located downstream in the flow direction of the reaction gas. The electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to ninth aspects, wherein a portion located on the side is larger is provided.
本発明の第11態様によれば、第1〜10態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体を備える燃料電池を提供する。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising the electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to tenth aspects.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
《第1実施形態》
図1〜図5を用いて、本発明の第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を説明する。図1は、本第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を有する燃料電池の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。図2は、図1の電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図であり、アノード電極側から見た状態を示す図である。図3は、図2のA1−A1線断面図である。図4は、図1の電極−膜−枠接合体のアノードセパレータ側の表面構造を示す平面図である。図5は、図1の電極−膜−枠接合体のカソードパレータ側の表面構造を示す平面図である。
<< First Embodiment >>
The structure of the fuel cell having the electrode-membrane-frame assembly according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of the structure of a fuel cell having an electrode-membrane-frame assembly according to the first embodiment. FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 1, and shows a state seen from the anode electrode side. 3 is a cross-sectional view taken along line A1-A1 of FIG. FIG. 4 is a plan view showing the surface structure of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 1 on the anode separator side. FIG. 5 is a plan view showing the surface structure of the electrode-membrane-frame assembly of FIG.
本第1実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質型燃料電池である。 The fuel cell according to the first embodiment is a polymer that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. This is an electrolyte fuel cell.
図1に示すように、燃料電池は、基本単位構成であるセル(単電池モジュール)10を複数個(例えば60個)積層させて構成されている。なお、図示していないが、積層されたセル10群の両端部には、集電板、絶縁板、及びエンドプレートが取り付けられ、締結ボルトがボルト孔4を挿通されナットで固定されることにより、各セル10が所定の締結力(例えば10kN)で締結されている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell is configured by stacking a plurality (for example, 60) of cells (unit cell modules) 10 that are basic unit configurations. Although not shown, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are attached to both ends of the stacked cells 10 group, and fastening bolts are inserted through the bolt holes 4 and fixed with nuts. Each cell 10 is fastened with a predetermined fastening force (for example, 10 kN).
セル10は、電極−膜−枠接合体1を、一対の導電性のセパレータであるアノードセパレータ2及びカソードセパレータ3で挟んで構成されている。電極−膜−枠接合体1は、図2又は図3に示すように、膜電極接合体5(以下、MEAという)と、MEA5の外周部5Eを封止保持するように形成された額縁状の枠体6とを備えている。
The cell 10 is configured by sandwiching the electrode-membrane-frame assembly 1 between an anode separator 2 and a cathode separator 3 which are a pair of conductive separators. As shown in FIG. 2 or 3, the electrode-membrane-frame assembly 1 has a frame shape formed so as to seal and hold the membrane electrode assembly 5 (hereinafter referred to as MEA) and the outer
枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3には、それぞれ、図1に示すように、燃料ガスが流通する一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔12,22,32が設けられている。また、枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3には、それぞれ、図1に示すように、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔13,23,33が設けられている。枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3が、セル10として締結された状態では、燃料ガスマニホールド孔12,22,32が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3が、セル10として締結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔13,23,33が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。
As shown in FIG. 1, each of the
また、枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3には、図1に示すように、冷却媒体(例えば、純水やエチレングリコール)が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔14,24,34が設けられている。これによって、枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3が、セル10として締結された状態では、これらの冷却媒体マニホールド孔14,24,34が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。
Further, as shown in FIG. 1, the
また、枠体6、アノードセパレータ2、及びカソードセパレータ3には、図1に示すように、それぞれの角部の近傍に4つのボルト孔4が設けられている。各ボルト孔4に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって各セル10が締結される。
Further, as shown in FIG. 1, the
アノードセパレータ2の内側の主面(電極−膜−枠接合体1側の面)には、一対の燃料ガスマニホールド孔22,22間を結ぶように燃料ガス流路溝21が設けられている。カソードセパレータ3の内側の主面(電極−膜−枠接合体1側の面)には、一対の酸化剤ガスマニホールド孔33,33間を結ぶように酸化剤ガス流路溝31が設けられている。燃料ガスが燃料ガス流路溝21を通じて後述するMEA5のアノードガス拡散層5C1に供給されるとともに、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路溝31を通じて後述するMEA5のカソードガス拡散層5C2に供給されることにより、電気化学反応が生じる。これにより、電力と熱とが同時に発生する。なお、図4において、一点破線は、燃料ガスの流れ方向を示している。また、図5において、一点破線は、酸化剤ガスの流れ方向を示している。
A fuel
また、アノードセパレータ2及びカソードセパレータ3の外側の主面(背面)には、図示していないが、それぞれ冷却媒体流路溝が形成されている。冷却媒体流路溝は、二対の冷却媒体マニホールド孔24,34間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路溝に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、セル10を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。 Moreover, although not shown in figure, the cooling medium flow path groove | channel is formed in the outer main surface (back surface) of the anode separator 2 and the cathode separator 3, respectively. The cooling medium flow channel is formed so as to connect the two pairs of cooling medium manifold holes 24 and 34. That is, the cooling medium is configured to branch from the cooling medium manifold on the supply side to the cooling medium flow channel and to flow to the cooling medium manifold on the discharge side. Thereby, the cell 10 is maintained at a predetermined temperature suitable for the electrochemical reaction by utilizing the heat transfer capability of the cooling medium.
なお、前記各孔及び各溝は、例えば、切削加工、成形加工により形成することができる。また、前記各マニホールドは、前記構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各マニホールドを、いわゆる外部マニホールド構造としてもよい。なお、図2及び図3では、各孔の図示を省略している。 In addition, each said hole and each groove | channel can be formed by cutting process and a shaping | molding process, for example. Moreover, each said manifold is not limited to the said structure, A various deformation | transformation is possible. For example, each manifold may have a so-called external manifold structure. 2 and 3, illustration of each hole is omitted.
MEA5は、図3に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜5Aと、当該電解質膜5Aの両面に形成された一対の電極層5D,5Dを有している。一対の電極層5Dの一方はアノード電極であり、一対の電極層の他方はカソード電極である。アノード電極とカソード電極とは、同様の構成を有しているので、以下では、一方の電極層5Dについてのみ説明する。
As shown in FIG. 3, the
高分子電解質膜5Aは、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質型燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。電極層5Dは、触媒層5Bとガス拡散層5Cとの2層構造で構成されている。
The
触媒層5Bは、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材である。触媒層5Bに用いるプロトン導電性高分子材料としては、上記高分子電解質膜5Aと同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。触媒層5Bは、高分子電解質膜5Aよりも外形サイズが小さく、高分子電解質膜5Aの外周部が露出するように高分子電解質膜5Aの主面に形成されている。
The
ガス拡散層5Cは、反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)の通気性と電子伝導性の両方を有している。ガス拡散層5Cは、触媒層5Bよりも外形サイズが小さく、触媒層5Bの外周部が露出するように触媒層5Bの主面に配置されている。すなわち、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、触媒層5Bの外縁5Baは、ガス拡散層5Cの外縁5Caよりも外側に位置している。
The
ガス拡散層5Cとしては、ガス透過性を持たせるために、カーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー、又はカーボンクロスなどを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。また、排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層5Cの中に分散させてもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維、又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層5Cを構成してもよい。また、ガス拡散層5Cの触媒層5Aと接する面には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。なお、カソード側及びアノード側において同じガス拡散層を用いても、異なるガス拡散層を用いてもよい。また、ガス拡散層5Cとして、例えば、基材として炭素繊維を用いず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成された多孔質部材を用いてもよい。
As the
高分子電解質膜5Aの外周部及びガス拡散層5Cの外周部上には、図3に示すように、額縁状の過酸化物分解触媒層7が形成され、当該過酸化物分解触媒層7上に枠体6が形成されている。過酸化物分解触媒層7は、一般的な触媒層5Bの形成方法と同様に、例えばスプレー法やダイ塗工などにより形成することができる。高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、過酸化物分解触媒層7の内縁7aは、ガス拡散層5Cの外縁5Caよりも内側に位置している。過酸化物分解触媒層7の外縁7bは、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、枠体6の内縁6aよりも外側に位置している。過酸化物分解触媒層7の厚みは、例えば、触媒層5Bの厚みが10〜20μmである場合、5μm以上に設定されている。
A frame-shaped peroxide
過酸化物分解触媒層7は、過酸化水素などの過酸化物を分解する過酸化物分解触媒を含んでいる。過酸化物分解触媒は、過酸化物を分解する触媒作用を有するものであればよく、例えば、貴金属、金属酸化物、金属錯体、リン酸塩、フッ化物、タングステン酸塩等から選ばれる一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。前記貴金属としては、Pt、Ru、Rh、Ir、Ag等が挙げられる。前記金属酸化物としては、MnO2、PbO2、PbO、RuO2、Al2O3、TiO2、Nb2O3、Ta2O5、Nb2O5、FeO、Fe2O3、Fe3O4、WO3、W2O5、SnO2、Cr2O3、CeO2、La2O3、SiO2、ZrO2、CuO、Cu2O、ZnO、Y2O3、MoO3、In2O3、In2O、Bi2O3、Sb2O3、Sb2O5、GeO2、GeO等が挙げられる。前記金属錯体としては、Co、Fe、Ti、Al、Ce等を中心原子とするポルフィリン、フタロシアニン、これらの誘導体が挙げられる。前記リン酸塩としては、AlPO4、TiPO4、FePO4、CrPO4、CePO4、Zr3(PO4)4、LaPO4等が挙げられる。前記フッ化物としては、AlF3、FeF3、CrF3、CeF3、ZrF4、LaF3等が挙げられる。前記タングステン酸塩としては、FeWO4、MnWO4、(Fe,Mn)WO4、CaWO4、CuWO4、Cu2WO4(OH)2、Al2(WO4)3、SrWO4、BaWO4、Ag2WO4、ZnWO4、SnWO4、Ce2(WO4)3等が挙げられる。それらの中でも、過酸化物分解触媒としてCeO2及びMnO2を用いることが、過酸化物の分解性能が高く好適である。
The peroxide
なお、過酸化物分解触媒層7は、硬すぎると、隣接する部材との界面に隙間が生じて反応ガスのクロスリークが発生するおそれがあるため、ある程度の柔軟性を有することが好ましい。また、過酸化物分解触媒層7は、過酸化物分解触媒層7に隣接する部材同士を接着する接着力を有していることが好ましい。このため、過酸化物分解触媒層7は、高分子電解質膜5Aを構成する高分子材料及び枠体6を構成する樹脂材料の少なくとも一方に対して親和性を有する高分子材料を含むことが好ましい。高分子電解質膜との親和性を高める観点から、過酸化物分解触媒層7は、高分子電解質膜5Aと同成分の高分子材料を含むことが、より好ましい。これにより、過酸化物分解触媒層7に隣接する部材同士の接着力を高めることができ、MEA5のハンドリング性を向上させることができる。なお、過酸化物分解触媒層7の高分子材料は、高い耐熱性を有することが好ましい。
If the peroxide
枠体6は、ハンドリング性を向上させるため又は高分子電解質膜5Aとセパレータ2又は3との間をシールするための樹脂製の部材である。枠体6は、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、高分子電解質膜5Aの外周部と重なるように配置されている。なお、枠体6に用いる樹脂材料は、特に限定されるものではないが、例えば、以下のものを使用することができる。
The
枠体6をハンドリング性の向上のために使用する場合、枠体6の樹脂材料は、化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂であることが好ましく、その中でも機械的強度が大きく且つ耐熱性が高い熱可塑性樹脂であることが好ましい。例えば、前記熱可塑性樹脂として、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのもの、例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリスチレン(PS)などが好適である。これらは、数千から数万MPaの圧縮弾性率と、150℃以上の荷重たわみ温度を有しており、前記熱可塑性樹脂として好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、当該樹脂材料に無機系の補強材(例えば、ガラス繊維、ガラスフィラー)を混在させることで、強度を強化することができる。例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン(GFPP)は、非充填のポリプロピレン(圧縮弾性率1,000〜1,500MPa)の数倍の弾性率を有し且つ150℃近い荷重たわみ温度を有している。従って、前記熱可塑性樹脂として好適に使用することができる。
When the
枠体6を高分子電解質膜5Aとセパレータ2又は3との間をシールするため、いわゆるシール部材として使用する場合、枠体6の樹脂材料は、弾性率が低い樹脂材料、例えば熱可塑性エラストマーであることが好ましい。前記熱可塑性エラストマーとしては、例えば、オレフィン系エラストマー(TPO)、スチレン系エラストマー(TPS)、ポリエステル系エラストマー(TPEE)、ポリウレタン系エラストマー(TPU)、ナイロン系エラストマー(TPA)などが好適である。オレフィン系エラストマーは、ポリプロピレン(PP)とエチレン・プロピレンゴム(EPM)又はエチレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDM)とを混合して構成されたものである。スチレン系エラストマーは、ポリスチレン(PS)とポリブタジエン又はポリイソプレンとを共重合させて構成したものである。
When the
本第1実施形態によれば、特許文献1又は2のように過酸化物分解触媒をガス拡散層5Cや枠体(シール部材)6に混入させるのではなく、過酸化物分解触媒を含む独立した過酸化物分解触媒層7を備えるように構成されている。また、本第1実施形態によれば、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、過酸化物分解触媒層7の内縁7aがガス拡散層5Cの外縁7aよりも内側に位置し、過酸化物分解触媒層7の外縁7bが枠体6の内縁6aよりも外側に位置するように構成されている。すなわち、過酸化物分解触媒層7は、特許文献1又は2の技術では高分子電解質膜5Aや電極層5Dの劣化を抑えることができない、過酸化水素の生成が多い領域に延在するように配置されている。従って、本第1実施形態によれば、運転時に生成された過酸化水素を効率良く分解させることができ、高分子電解質膜5Aや電極層5Dの劣化を抑えて発電性能の低下を一層抑えることができる。
According to the first embodiment, the peroxide decomposition catalyst is not mixed into the
なお、過酸化物分解触媒層7がガス拡散層5Cの外縁5Caよりも内側に存在する部分の幅W1は、1mm以上であることが好ましい。これにより、高分子電解質膜5Aの劣化を十分に抑えることができる。また、幅W1を大きくすればするほど、高分子電解質膜5Aの劣化を抑えることができるが、幅W1を大きくしすぎると、その分、過酸化物分解触媒が反応ガスの流れを妨げる量も大きくなり、逆に、発電性能が低下することになる。このため、幅W1は、5mm以下であることが好ましい。
In addition, it is preferable that the width W1 of the part in which the peroxide
なお、本発明は前記第1実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記第1実施形態では、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、触媒層5Bの外縁5Baが枠体6の内縁6aよりも外側に位置するように配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図6に示すように、触媒層5Bの外縁5Baが枠体6の内縁6aよりも内側に位置するように配置してもよい。すなわち、枠体6の開口面積よりも触媒層5Bのサイズを小さくしてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said 1st Embodiment, It can implement in another various aspect. For example, in the first embodiment, the outer edge 5Ba of the
また、前記第1実施形態では、触媒層5Bのサイズを高分子電解質膜5Aのサイズよりも小さくしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図7に示すように、触媒層5Bのサイズを高分子電解質膜5Aのサイズとほぼ同じにしてもよい。
In the first embodiment, the size of the
また、前記第1実施形態では、触媒層5Bの外周部を覆うように過酸化物分解触媒層7を配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図8に示すように、触媒層5Bと過酸化物分解触媒層7とを隣接して配置するようにしてもよい。また、この場合、触媒層5Bと過酸化物分解触媒層7の厚みをほぼ同じにしてもよい。
Moreover, in the said 1st Embodiment, although the peroxide decomposition |
また、高分子電解質膜5A、触媒層5B、及びガス拡散層5Cのうち、過酸化水素により最も劣化しやすいのは、高分子電解質膜5Aである。このため、過酸化物分解触媒層7の少なくとも一部が高分子電解質膜5Aに接するように配置することが好ましい。例えば、図9に示すように、過酸化物分解触媒層7の内周部を触媒層5Bの外周部が覆うように配置することが好ましい。これにより、発電性能の低下を効果的に抑えることができる。
Of the
また、前記第1実施形態では、図3に示すように、ガス拡散層5Cの外周部が枠体6の内周部を覆うように、すなわち、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、ガス拡散層5Cの外縁5Caが枠体6の内縁6aよりも外側に位置するように構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図10〜図13に示すように、ガス拡散層5Cの外縁5Caと枠体6の内縁6aとの間に隙間が空くように、すなわち、高分子電解質膜5Aの厚み方向Yから見て、ガス拡散層5Cの外縁5Caが枠体6の内縁6aよりも内側に位置するように構成してもよい。
In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the outer peripheral portion of the
また、枠体6が配置されるMEA5の外周部5Eは発電に積極的に寄与する部分ではないので、図14に示すように、過酸化物分解触媒層7が枠体6の内縁6aよりも外側に存在する部分を小さくして、枠体6の一部が高分子電解質膜5Aに接するように構成されてもよい。
Further, since the outer
また、前記第1実施形態では、アノード電極とカソード電極とが同じ構成を有するものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、互いに異なる構成を有していてもよい。この場合、過酸化物分解触媒層7がアノード電極又はカソード電極のいずれか一方に含まれていればよい。
In the first embodiment, the anode electrode and the cathode electrode have been described as having the same configuration. However, the present invention is not limited to this, and the anode electrode and the cathode electrode may have different configurations. In this case, the peroxide
《第2実施形態》
図15は、本発明の第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の構成を模式的に示す平面図である。図16は、図15のB1−B1線断面図であり、図17は、図15のB2−B2線断面図である。本第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1Aが前記第1実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1と異なる点は、反応ガスの流れ方向の上流側において過酸化物分解触媒層7がガス拡散層5Cの外縁5Caよりも内側に存在する部分の幅W2を、反応ガスの流れ方向の下流側において過酸化物分解触媒層7がガス拡散層5Cの外縁5Caよりも内側に存在する部分の幅W3よりも大きくした点である。なお、図15において、一点破線は、反応ガスの流れ方向を示している。
<< Second Embodiment >>
FIG. 15 is a plan view schematically showing the configuration of the electrode-membrane-frame assembly according to the second embodiment of the present invention. 16 is a cross-sectional view taken along line B1-B1 of FIG. 15, and FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line B2-B2 of FIG. The electrode-membrane-
燃料電池の運転時においては、反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)が電気化学的に反応することにより、電力と熱とが発生するとともに、水も生成される。このとき生成される水の量は、反応ガスがガス流路を流れるに従って次第に多くなる。このため、反応ガスの流れ方向の下流側においては、過酸化水素が生成されたとしても、多量の水で洗い流される。一方、反応ガスの流れ方向の上流側においては、生成される水の量が少ないので、過酸化水素を洗い流すことができず、過酸化水素が滞留することになる。このため、特に、電極層5D及び高分子電解質膜5Aにおける反応ガスの流れ方向の上流側に位置する部分が劣化しやすい。
During operation of the fuel cell, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) reacts electrochemically to generate electric power and heat, and water is also generated. The amount of water generated at this time gradually increases as the reaction gas flows through the gas flow path. For this reason, even if hydrogen peroxide is generated on the downstream side in the flow direction of the reaction gas, it is washed away with a large amount of water. On the other hand, on the upstream side in the flow direction of the reaction gas, since the amount of water produced is small, hydrogen peroxide cannot be washed away, and hydrogen peroxide stays. For this reason, especially the part located in the upstream of the flow direction of the reactive gas in
そこで、本第2実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1Aでは、図15〜図17に示すように、幅W2を幅W3よりも大きくしている。これにより、電極層5D及び高分子電解質膜5Aの劣化を効果的に抑えることができる。また、幅W3を小さくすることで、過酸化物分解触媒が反応ガスの流れを妨げる量が少なくなる。従って、発電性能の低下を一層抑えることができる。
Therefore, in the electrode-membrane-
なお、図15では、反応ガスの流れ方向の上流側から下流側の全体にわたって、過酸化物分解触媒層7がガス拡散層5Cの外縁5Caよりも内側に存在するように示したが、本発明はこれに限定されない。燃料電池の運転時において生成される水により過酸化水素を完全に洗い流すことができる部分については、過酸化物分解触媒層7がガス拡散層5Cの外縁5Caよりも内側に存在する部分を無くしてもよい。例えば、幅W3は「ゼロ」であってもよい。これにより、過酸化物分解触媒が反応ガスの流れを妨げる量を一層少なくして、発電性能の低下を一層抑えることができる。
In FIG. 15, the peroxide
また、図15では、反応ガスの流れ方向が蛇行するように示したが、本発明は、これに限定されない。例えば、蛇行形状のガス流路溝21,31に代えて、複数の直線状のガス流路溝をセパレータ2,3に形成して、反応ガスの流れ方向を直線状にしてもよい。また、前記では、ガス流路溝21,31をセパレータ2,3に設けたが、これに代えて、ガス流路溝をガス拡散層5Cに設けてもよい。
Further, in FIG. 15, the flow direction of the reaction gas is shown to meander, but the present invention is not limited to this. For example, instead of the meandering gas
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.
本発明にかかる電極−膜−枠接合体は、高分子電解質膜の劣化を抑えて発電性能の低下を一層抑えることができるので、特に、自動車などの移動体、分散型(オンサイト型)発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される高分子電解質型燃料電池に有用である。 The electrode-membrane-frame assembly according to the present invention can suppress deterioration of the power generation performance by suppressing deterioration of the polymer electrolyte membrane. Therefore, in particular, mobile bodies such as automobiles, distributed (on-site) power generation It is useful for a polymer electrolyte fuel cell used as a drive source for a system, a household cogeneration system, and the like.
1 電極−膜−枠接合体
2 アノードセパレータ
3 カソードセパレータ
4 ボルト孔
5 MEA(膜電極接合体)
5A 高分子電解質膜
5B 触媒層
5C ガス拡散層
5D 電極層
5E 外周部
6 枠体
7 過酸化物分解触媒層
10 セル
12,22,32 燃料ガスマニホールド孔
13,23,33 酸化剤ガスマニホールド孔
14,24,34 冷却媒体マニホールド孔
21 燃料ガス流路溝
31 酸化剤ガス流路溝
1 Electrode-membrane-frame assembly 2 Anode separator 3
5A
Claims (11)
前記電解質膜を挟んで互いに対向する一対の触媒層と、
前記電解質膜及び前記一対の触媒層を挟んで互いに対向する一対のガス拡散層と、
前記電解質膜の厚み方向から見て、前記電解質膜の外周部と重なるように配置された額縁状の枠体と、
を備える電極−膜−枠接合体であって、
前記電解質膜の少なくとも一方の主面側に、過酸化物分解触媒を含む額縁状の過酸化物分解触媒層を備え、
前記電解質膜の前記一方の主面側において、
前記過酸化物分解触媒層の内縁は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記枠体の内縁よりも内側に位置し、
前記過酸化物分解触媒層の外縁は、前記電解質膜の厚み方向から見て、前記ガス拡散層の外縁よりも外側に位置する、
電極−膜−枠接合体。 A polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers facing each other across the electrolyte membrane;
A pair of gas diffusion layers facing each other across the electrolyte membrane and the pair of catalyst layers;
A frame-like frame disposed so as to overlap with the outer peripheral portion of the electrolyte membrane as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane;
An electrode-membrane-frame assembly comprising:
A frame-shaped peroxide decomposition catalyst layer including a peroxide decomposition catalyst is provided on at least one main surface side of the electrolyte membrane,
On the one main surface side of the electrolyte membrane,
The inner edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located on the inner side of the inner edge of the frame body as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane,
The outer edge of the peroxide decomposition catalyst layer is located outside the outer edge of the gas diffusion layer as seen from the thickness direction of the electrolyte membrane.
Electrode-membrane-frame assembly.
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