JP2012074315A - Membrane electrode assembly of solid polymer fuel cell, and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式である。
燃料電池は、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるNOx、SOx、また地球温暖化の原因となるCO2の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。
A fuel cell is a power generation method in which chemical energy of fuel is converted into electric energy and extracted by causing an electrochemical reaction between a fuel such as hydrogen and an oxidant such as air.
Fuel cells are expected as new energy because of their advantages such as high power generation efficiency, excellent quietness, NOx and SOx that cause air pollution, and low CO2 emissions that cause global warming. .
その適用例は、携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車など、その用途も規模も多様である。
燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類される。また、それぞれの種類によって運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。
Examples of its application include a variety of uses and scales, such as long-term power supply for portable electrical devices, stationary generation hot water supply machines for cogeneration, and fuel cell vehicles.
The types of fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, alkaline type, etc., depending on the electrolyte used. In addition, the operating temperature varies greatly depending on the type, and accordingly, the power generation scale and the field of use also differ.
また、陽イオン交換膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池は、比較的低温での動作が可能である。また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため、高出力化、コンパクト化が可能である。
燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード触媒層、ガス拡散層、ガスケット層を設け、他方の面にカソード触媒層、ガス拡散層、ガスケット層を設けた膜電極接合体(以下MEAと称す場合がある)の両側に、セパレータを配した単電池セルを一つ設けた構造、あるいは、単電池セルを複数積層した構造を有している。
A polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane as an electrolyte can operate at a relatively low temperature. Moreover, since the internal resistance can be reduced by reducing the thickness of the electrolyte membrane, high output and compactness are possible.
A fuel cell has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in which an anode catalyst layer, a gas diffusion layer, and a gasket layer are provided on one surface of an electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer, a gas diffusion layer, and a gasket layer are provided on the other surface. A single battery cell having separators disposed on both sides thereof, or a structure in which a plurality of single battery cells are stacked.
図3は、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された従来の膜電極接合体の断面図である。従来の固体高分子型燃料電池(PEFC)の単セルは、固体高分子電解質膜81(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)を、それぞれカーボンブラック粒子に触媒物質(主として白金(Pt)あるいは白金族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir))を担持したアノード触媒層82とカソード触媒層83とで挟持させる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane. A conventional unit cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a polymer electrolyte membrane 81 (perfluorocarbon sulfonic acid membrane), a carbon black particle and a catalyst substance (mainly platinum (Pt) or platinum group metal (Ru). , Rh, Pd, Os, Ir)) are held between the
そして、このアノード触媒層82とカソード触媒層83とを、それぞれアノード側ガス拡散層84とカソード側ガス拡散層85で挟持させてアノード86およびカソード87とする。これらの構成と、ガスのシールの機能を有するアノード側ガスケット88と、カソード側ガスケット89にて膜電極接合体92が構成される。そして、膜電極接合体92を一組のセパレータ90により挟持させることで単セルが構成される。
Then, the
電池構造としては、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化とを目的として、膜電極接合体92をセパレータ90で挟持して成る単電池セルを複数積層(スタック)した構造が用いられている。必要な電力により、スタック枚数は異なり、一般的に携帯電気機器のポータブル電源では数枚から10枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では60枚以上90枚以下程度、自動車用途では250枚以上400枚以下程度といわれている。高出力化のためにはスタック枚数の増大は必然的であり、よって、単セルのコストが燃料電池本体の価格に大きく影響することになる。
As the battery structure, for the purpose of increasing the output density and making the entire fuel cell compact, a structure in which a plurality of single battery cells each having a
また、膜電極接合体の一部を構成するガスケットは、電解質膜を支持し、酸素および水素のリークの抑制と電解質膜の湿度維持とに寄与することが求められている。また、プロセスコストの観点から、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極接合体構造が望まれており、積層プロセスが可能な膜電極接合体構造は、製造上有利である。特に、印刷による積層工程を含むプロセスは、大量生産や連続生産の点で望ましい。 Further, the gasket constituting a part of the membrane electrode assembly is required to support the electrolyte membrane and contribute to the suppression of oxygen and hydrogen leakage and the maintenance of the humidity of the electrolyte membrane. Further, from the viewpoint of process cost, a membrane electrode assembly structure with a small number of parts and easy assembly is desired, and a membrane electrode assembly structure capable of a lamination process is advantageous in manufacturing. In particular, a process including a lamination process by printing is desirable in terms of mass production and continuous production.
従来の燃料電池のガスケットは、特許文献1に記載されているように、セパレータ板と電極との接触を行わせつつ、ガスシールを行うため、高い寸法精度、十分な弾性および十分な締め代を有することが必要である。このため、樹脂やゴム等からなるシート状のガスケットや、ゴムからなるOリング等が用いられている。ただし、ガスケットは、通常、額縁形状であり、シート材料を用いると打ち抜きなどの方法により形成されるため、内側の部材が材料ロスとなってしまうという問題点がある。また、Oリングを用いる場合には、材料に剛性がないために、組み立て時のハンドリングが難しいという問題点がある。
As described in
また、特許文献2では、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極接合体構造として、触媒層および電解質膜上に熱可塑性樹脂の保護層を配置し、その上に熱硬化性樹脂の補強枠を積層する膜電極接合体構造が採用されている。補強枠に弾性率の高い熱硬化性樹脂を平面上に配置することで、ガスケットにかかる応力を分散させて電解質膜の歪みを抑制することができ、シール性を向上することができる。保護層は、補強枠である熱硬化性樹脂の成分(主剤や硬化剤)による、熱硬化時の高温下での電解質膜の変質を軽減するためのものであり、熱可塑性樹脂が用いられる。
In
しかしながら、熱可塑性樹脂のような固体を電解質膜上に積層する場合、精度的な問題から間隙が生じやすいという問題がある。燃料電池が発電、非発電を繰り返すことで、電解質膜では、湿潤状態と乾燥状態が繰り返される。このとき、膨張と収縮が繰り返されるため、触媒層とガスケット層に間隙がある場合、間隙に応力が集中し、電解質膜の疲労による破損が生じる。その結果、破損部位からのガスリークや湿度の低下が生じる。 However, when a solid such as a thermoplastic resin is laminated on the electrolyte membrane, there is a problem that gaps are likely to occur due to accuracy problems. As the fuel cell repeats power generation and non-power generation, the electrolyte membrane repeats a wet state and a dry state. At this time, since expansion and contraction are repeated, if there is a gap between the catalyst layer and the gasket layer, stress concentrates in the gap and damage due to fatigue of the electrolyte membrane occurs. As a result, a gas leak from a damaged part and a decrease in humidity occur.
また、膜電極接合体を構築するにあたり、熱処理プロセス(特に熱硬化性樹脂の硬化に要する熱処理)は、電解質膜を始めとした各部材の熱膨張率の差による各部材の破損や剥離を招く恐れがあることから、できるだけ抑えたほうが望ましい。
本発明の目的は、前述した背景技術における問題点を考慮し、シール性の向上という課題を解決するためになされてものであり、膨張と収縮による電解質膜の破損および製造プロセス時の熱処理プロセスによる各部材の破損や剥離を抑制し、シール性が高い固体高分子形燃料電池における膜電極接合体、およびその製造方法を提供することを目的としている。
Further, in constructing a membrane electrode assembly, a heat treatment process (particularly a heat treatment required for curing a thermosetting resin) causes damage or peeling of each member due to a difference in thermal expansion coefficient of each member including an electrolyte membrane. Because there is a fear, it is desirable to suppress as much as possible.
The object of the present invention is to solve the problem of improving the sealing performance in consideration of the problems in the background art described above, and is based on the damage of the electrolyte membrane due to expansion and contraction and the heat treatment process during the manufacturing process. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell that suppresses breakage and peeling of each member and has high sealing performance, and a method for producing the same.
本発明者等は、上記問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、例えば、液状樹脂の硬化物である第1のガスケット層と第1のガスケット層上に配置される第2のガスケット層と第2のガスケット層の端部間に配置される第3のガスケット層を一体化された固体高分子形燃料電池の膜電極接合体とすることにより、シール性能に優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を提供できることを見出し、本発明を成すに到った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have, for example, a first gasket layer that is a cured product of a liquid resin, and a second gasket layer disposed on the first gasket layer. By using the third gasket layer disposed between the end portions of the second gasket layer as an integrated membrane electrode assembly of a solid polymer fuel cell, the polymer electrolyte fuel cell having excellent sealing performance The present inventors have found that a membrane electrode assembly can be provided for use in the present invention.
本発明は、電解質膜の一方の面に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるアノード触媒層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の前記電解質膜と接する面とは反対の面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、ガスケット層と、を有する固体高分子形燃料電池の膜電極接合体であって、前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第1のガスケット層と、前記第1のガスケット層上に配置される2つの部位からなる第2のガスケット層と、前記第2のガスケット層の前記2つの部位の間に配置される第3のガスケット層と、が一体化されてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体を提案する。 The present invention is in contact with the cathode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. A membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell having a gas diffusion layer and a gasket layer disposed on a surface opposite to the surface, wherein the electrolyte membrane includes the cathode catalyst layer, the anode catalyst And a cured product of a liquid resin disposed on both sides of each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer and on both sides of the electrolyte membrane. A first gasket layer, a second gasket layer comprising two portions disposed on the first gasket layer, and the two portions of the second gasket layer. A third gasket layer disposed proposes a membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell, wherein a are integral.
また、前記カソード触媒層の厚さと、前記カソード触媒層の周囲に配置される前記第1のガスケット層の厚さとが等しく、かつ、前記アノード触媒層の厚さと、前記アノード触媒層の周囲に配置される前記第1のガスケット層の厚さとが等しくなっていてもよい。
また、前記第1のガスケット層の一部が前記ガス拡散層の一部に接して、接着されていてもよい。
また、前記第1のガスケット層は粘着材あるいは接着材からなり、パターン印刷により前記電解質膜上に形成されるものであってもよい。
Further, the thickness of the cathode catalyst layer is equal to the thickness of the first gasket layer disposed around the cathode catalyst layer, and the thickness of the anode catalyst layer is disposed around the anode catalyst layer. The thickness of the first gasket layer may be equal.
Further, a part of the first gasket layer may be in contact with a part of the gas diffusion layer and bonded thereto.
The first gasket layer may be made of an adhesive material or an adhesive material, and may be formed on the electrolyte membrane by pattern printing.
また、前記第2のガスケット層は、短冊状もしくは一筆書きで描かれる多角形の熱可塑性樹脂フィルムの打ち抜きにより作製されるものであってもよい。
また、前記第3のガスケット層は、前記第2のガスケット層と溶着されて作製されるものであってもよい。
また、前記第2のガスケット層および前記第3のガスケット層は、その外側から圧力を負荷しながら溶着して平面化した後、前記第1のガスケット層上に積層されて作製されるものであってもよい。
Further, the second gasket layer may be produced by punching a polygonal thermoplastic resin film drawn in a strip shape or a single stroke.
The third gasket layer may be produced by welding with the second gasket layer.
Further, the second gasket layer and the third gasket layer are prepared by laminating on the first gasket layer after welding and planarizing while applying pressure from the outside. May be.
また、本発明は、電解質膜の一方の面に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置されるアノード触媒層と、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の前記電解質膜と接する面とは反対の面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、ガスケット層と、を有し、前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第1のガスケット層と、前記第1のガスケット層上に配置される2つの部位からなる第2のガスケット層と、前記第2のガスケット層の前記2つの部位の間に配置される第3のガスケット層と、が一体化されてなる固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法であって、前記第1のガスケット層を、パターン印刷により前記電解質膜上に形成することを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法を提案する。 The present invention also provides a cathode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. A gas diffusion layer disposed on a surface opposite to the surface in contact with the gasket, and a gasket layer, wherein the electrolyte membrane has a larger area than the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the gas diffusion layer The gasket layer includes a first gasket layer that is a cured product of a liquid resin disposed around each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer and on both surfaces of the electrolyte membrane; A second gasket layer composed of two portions disposed on one gasket layer, and a third gasket layer disposed between the two portions of the second gasket layer. A method for producing a membrane electrode assembly of a solid polymer fuel cell formed into a solid body, wherein the first gasket layer is formed on the electrolyte membrane by pattern printing A method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell is proposed.
また、前記第2のガスケット層を、短冊状もしくは一筆書きで描かれる多角形の熱可塑性樹脂フィルムの打ち抜きにより作製するようになっていてもよい。
また、前記第3のガスケット層を、前記第2のガスケット層と溶着するようになっていてもよい。
また、前記第2のガスケット層および前記第3のガスケット層を、その外側から圧力を負荷しながら溶着して平面化した後、前記第1のガスケット層上に積層するようになっていてもよい。
In addition, the second gasket layer may be formed by punching a polygonal thermoplastic resin film drawn in a strip shape or a single stroke.
Further, the third gasket layer may be welded to the second gasket layer.
Further, the second gasket layer and the third gasket layer may be planarized by welding while applying pressure from the outside, and then laminated on the first gasket layer. .
本発明によれば、第1ガスケット層に粘着剤もしくは接着剤等の液状樹脂の硬化物を用いることにより、触媒層とガスケット層の間隙を埋めることができるため、電解質膜の破損を防止することができる。加えて、ガスケット層を3つに分けることにより、例えば第2ガスケット層に熱可塑性樹脂を用いれば、ガスケット層すべてを粘着剤もしくは接着剤とする場合に比べ、硬化時の熱処理温度、時間を抑制できる。これらにより、シール性の高い膜電極接合体を提供できる。 According to the present invention, by using a cured product of a liquid resin such as an adhesive or an adhesive for the first gasket layer, the gap between the catalyst layer and the gasket layer can be filled, so that the electrolyte membrane is prevented from being damaged. Can do. In addition, by dividing the gasket layer into three parts, for example, if a thermoplastic resin is used for the second gasket layer, the heat treatment temperature and time during curing can be suppressed compared to the case where all gasket layers are made of adhesive or adhesive. it can. By these, the membrane electrode assembly with high sealing performance can be provided.
以下に、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池における膜電極接合体およびその製造方法について説明する。
図1は、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池における膜電極接合体12の概略断面図である。図1に示すように、膜電極接合体12は、電解質膜1と、電界質膜1の一方の面側に配置されたアノード触媒層2と、他方の面側に配置されたカソード触媒層3とから構成される。
Below, the membrane electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell concerning embodiment of this invention and its manufacturing method are demonstrated.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
電解質膜1は、触媒層2、3およびガス拡散層4、5よりも一回り大きい。また、触媒層2、3は、電解質膜1の両面にそれぞれ配置される。また、その触媒層2、3の、電解質膜1と接している面とは反対の面に、ガス拡散層4、5がそれぞれ配置される。また、ガス拡散層4、5は、触媒層2、3より面積が大きくなっている。
また、触媒層2、3の端部の周囲には、それぞれ第1ガスケット層21、31が配置される。ガス拡散層4、5の端部の周囲には、それぞれ第2ガスケット層22、32が配置される。なお、第2ガスケット層22は、2つの部位22a、22bから構成される。また、第2ガスケット層32は、2つの部位32a、32bから構成される。第3のガスケット層23、33は、第2ガスケット層22、32の2つの部位22a、22bの端部同士、および部位32a、32bの端部同士を、それぞれつなぐ役目を果たす。
The
Further, first gasket layers 21 and 31 are disposed around the ends of the catalyst layers 2 and 3, respectively. Second gasket layers 22 and 32 are disposed around the ends of the
また、第1ガスケット層21、第2ガスケット層22、第3ガスケット層23は、一体化されている。また、第1ガスケット層31、第2ガスケット層32、第3ガスケット層33は、一体化されている。
すなわち、本実施形態にかかる膜電極接合体12は、ガスケット層を、第1ガスケット層21、31と、第2ガスケット層22、32とに分けることで、触媒層とガスケット層との間隙、およびガス拡散層とガスケット層との間隙を抑えることができ、シール性を向上させることができる。
Moreover, the
That is, in the
本実施形態で用いる電解質膜1は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適に使用でき、特にフッ素系電解質膜が望ましい。
同様に触媒層2、3としても、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、白金または白金と他の金属(例えばRu、Rh、Mo、Cr、Co、Fe等)との合金の微粒子(平均粒径は10nm以下が望ましい)が表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子(平均粒径:20nm以上100nm以下程度)と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とが適当な溶剤(エタノールなど)中で均一に混合されたインクより作製されるものが使用できる。
The
Similarly, the catalyst layers 2 and 3 may be those generally used for polymer electrolyte fuel cells. For example, a conductive material such as carbon black in which fine particles of platinum or an alloy of platinum and other metal (for example, Ru, Rh, Mo, Cr, Co, Fe, etc.) (average particle size is preferably 10 nm or less) is supported on the surface. Made of an ink in which a fine carbon particle (average particle size: about 20 nm to about 100 nm or less) and a polymer solution such as a perfluorosulfonic acid resin solution are uniformly mixed in an appropriate solvent (ethanol or the like). Can be used.
ガス拡散層4、5は、少なくともガス透過性(通気性)と導電性を有するものであればよい。例えば、炭素材料によって構成された織布、不織布(炭素繊維を交絡させることによって得られるフェルト等)、ペーパー類(カーボンペーパー等)などが汎用される。また、ガス拡散層4、5は、触媒層2、3より大きい面積を持つ。結果、高価な白金触媒等を含む触媒層を、端部まで利用することができる。
The
第1ガスケット層21、31は、粘着剤もしくは接着剤よりなる。粘着剤もしくは接着剤は、主鎖骨格がポリシロキサン骨格やポリエーテル骨格、フルオロエーテル骨格、ポリオレフィン骨格等のものが使用できる。また、スクリーン印刷等の方法でパターン塗布することで、樹脂フィルムを用いたガスケットで問題となる材料ロスを避けることができる。すなわち、額縁形状のガスケットを打ち抜くなどの加工を行わないため、無駄な材料ロスを低減させることが可能となり、安価な膜電極接合体およびその製造方法を提供することができる。また、電解質膜上に配置されることから、粘着剤もしくは接着剤の溶媒由来による電解質膜の膨潤を避けるために、無溶媒系であることが望ましい。 The first gasket layers 21 and 31 are made of an adhesive or an adhesive. As the pressure-sensitive adhesive or adhesive, those having a main chain skeleton such as a polysiloxane skeleton, a polyether skeleton, a fluoroether skeleton, and a polyolefin skeleton can be used. Moreover, the material loss which becomes a problem with the gasket using a resin film can be avoided by applying a pattern by a method such as screen printing. That is, since processing such as punching a frame-shaped gasket is not performed, useless material loss can be reduced, and an inexpensive membrane electrode assembly and a manufacturing method thereof can be provided. Further, since it is disposed on the electrolyte membrane, it is desirable that the solventless system be used in order to avoid swelling of the electrolyte membrane due to the solvent of the adhesive or adhesive.
また、ガス拡散層4、5の触媒層2、3との接触面側において触媒層2、3と接触しない部分(図1に示す領域Aの部分)において、第1ガスケット層21、31がガス拡散層4、5と接するように配置される。これにより、ガス拡散層4、5を膜電極接合体12として一体化することができる。なお、領域Aは、狭すぎるとガス拡散層4、5との接着が不十分となり、広すぎるとガス拡散層4、5を無駄に使うことになるので、0.2cm以上2cm以下程度あればよい。
In addition, the first gasket layers 21 and 31 are gasses in portions (region A portion shown in FIG. 1) that are not in contact with the catalyst layers 2 and 3 on the contact surface side of the
第2ガスケット層22、32は、熱可塑性樹脂よりなる。例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)やPEN(ポリエチレンナナフタレート)、SPS(シンジオタクチックポリスチレン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PI(ポリイミド)等が使用できる。特に、弾性率の高い熱可塑性樹脂が望ましく、繊維強化されたものを用いてもよい。
第2ガスケット層22、32は、第1ガスケット層21、31に対し、十分に厚くすることが望ましい。望ましくは、4倍〜15倍程度の厚さである。これにより、セル組み立て後の第1ガスケット層21、31に対する応力を、それぞれ第2ガスケット層22、32が受け、かつ、応力を分散し、応力による電解質膜1の歪みを軽減できる。
The second gasket layers 22 and 32 are made of a thermoplastic resin. For example, PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene nanaphthalate), SPS (syndiotactic polystyrene), PTFE (polytetrafluoroethylene), PI (polyimide) and the like can be used. In particular, a thermoplastic resin having a high elastic modulus is desirable, and a fiber reinforced one may be used.
It is desirable that the second gasket layers 22 and 32 be sufficiently thicker than the first gasket layers 21 and 31. Desirably, the thickness is about 4 to 15 times. Thereby, the stress to the first gasket layers 21 and 31 after the cell assembly is received by the second gasket layers 22 and 32, respectively, and the stress is dispersed, so that the distortion of the
第3ガスケット層23、33は、それぞれ、短冊状もしくは一筆書き可能な形状をしている第2ガスケット層22、32の端部間を溶着可能な材料を選択する必要がある。熱や超音波などを使用して溶着することが可能である熱可塑性樹脂が好ましい。例えば、第1ガスケット層21、22と同様に、主鎖骨格がポリシロキサン骨格やポリエーテル骨格、フルオロエーテル骨格、ポリオレフィン骨格等の粘着材や接着材、ゴムや熱可塑性エラストマーなどがあげられる。ただし、これらは一例である。ここで、第2ガスケット層22、32を短冊状もしくは一筆書き可能な形状とすることによって、第2ガスケット層22、32の材料ロスを低減することが可能となる。 For the third gasket layers 23 and 33, it is necessary to select a material capable of welding between the end portions of the second gasket layers 22 and 32 each having a strip shape or a shape that can be drawn with a single stroke. A thermoplastic resin that can be welded using heat or ultrasonic waves is preferred. For example, as with the first gasket layers 21 and 22, the main chain skeleton is a pressure-sensitive adhesive or adhesive material such as a polysiloxane skeleton, a polyether skeleton, a fluoroether skeleton, or a polyolefin skeleton, and rubber or a thermoplastic elastomer. However, these are examples. Here, it is possible to reduce the material loss of the second gasket layers 22 and 32 by making the second gasket layers 22 and 32 into a strip shape or a shape that can be drawn with a single stroke.
次に、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池における膜電極接合体の製造方法について、図2により説明する。
図2(a)に示されるように、まず、電解質膜1の両面上にそれぞれ触媒層2、3を形成する。触媒層2、3を形成するにあたっては、高分子電解質と、触媒物質と、触媒を担持するカーボン担体と、分散媒とを含むインクを調製する。調製された触媒インクは、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法または噴霧法を用いて電解質膜1上に塗布し、触媒層2、3を形成する。また、転写基材を用い、転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に触媒層2、3を一旦形成した後、転写法により電解質膜1上に触媒層2、3を形成しても良い。
Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2A, first, catalyst layers 2 and 3 are formed on both surfaces of the
次に、第1ガスケット層21を、形成された触媒層2の周囲の電解質膜1上(領域Bの部分)に形成する。第1ガスケット層21を形成するにあたっては、粘着剤もしくは接着剤をスクリーン印刷などパターン形成が可能な方法により塗布し、第1ガスケット層21を形成する。
第1ガスケット層21の厚さは、触媒層2と同じ厚さであることが望ましい。第1ガスケット層21の厚さが触媒層2の厚さと異なると、ガス拡散層4もしくは第2ガスケット層22を積層した際に、間隙が生じることからシール性が低下してしまう。
Next, the
The thickness of the
また、精度的な問題から、触媒層2と第1ガスケット層21の間隙を、0.1mm以上1mm以下程度設けても良い。その場合は、触媒層2の厚さより若干厚めに塗布し、第2ガスケット層22と第3ガスケット層23を積層後、プレスすることで触媒層2と第1ガスケット層21の厚さを揃えるとともに、触媒層2と第1ガスケット層21の間隙を埋めることができる。結果、触媒層2と第1ガスケット層21の間隙によって生じる電解質膜1の疲労による破損を抑制することができる。
Moreover, you may provide about 0.1 mm or more and 1 mm or less of the gap | interval of the
次に、第2ガスケット層22と第3ガスケット層23の一体化を行う。その方法は、例えば短冊状もしくは一筆書きが可能な形状に打ち抜きなどの方法により加工した第2ガスケット層22の部位22aと部位22bとの間に第3ガスケット層23を易剥離性のフィルム上に配置した後、さらに易剥離性のフィルムをかぶせて熱プレスする。その後、易剥離性フィルムを剥がすことにより面精度に優れた一体化された第2ガスケット層22と第3ガスケット層23を作製することができる。
Next, the
ここで、第3ガスケット層23の形成方法はディスペンス、スクリーン印刷などのパターン形成が可能な方法などとすることが可能である。さらに面精度を高めるために、第3ガスケット層23の材料を易剥離フィルム上に額縁形状にパターン印刷をしておいても良い。また、上記では、易剥離性フィルムを用いて一体化する方法を例示したが、フィルムを用いずに金型内で成型することも可能である。
Here, the
第1ガスケット層21の上に、一体化された第2ガスケット層22と第3ガスケット層23、およびガス拡散層4を積層形成する。一体化された第2ガスケット層22と第3ガスケット層23、およびガス拡散層4を形成するにあたっては、貼合装置等で貼り合わせることができる。
以上のように、電解質膜1の片面にガス拡散層とガスケット層を形成することができる(図2(a))。ここで、第2ガスケット層22と第3ガスケット層23を一体化した後にガス拡散層4を積層形成する方法以外にも、第2ガスケット層22と第3ガスケット層23とガス拡散層4を各々貼り合わせる方法とすることも可能である。
On the
As described above, the gas diffusion layer and the gasket layer can be formed on one surface of the electrolyte membrane 1 (FIG. 2A). Here, the
続いて、図2(b)に示されるように、上下反転させ、第1ガスケット層31をスクリーン印刷などのパターン形成が可能な方法により電解質膜1の上に塗布し、形成する。塗布する領域は、領域B´(触媒層3の周囲)のみ、または領域B´と領域C(第1ガスケット層21の周囲)である。
第1ガスケット層31を形成後、図2(c)に示されるように、上述した方法で作製されて一体化された第2ガスケット層32と第3ガスケット層33、およびガス拡散層5を積層する。ここでも、第2ガスケット層32と第3ガスケット層33を一体化した後にガス拡散層5を積層形成する方法以外にも、第2ガスケット層32と第3ガスケット層33とガス拡散層5を各々貼り合わせる方法とすることも可能である。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the
After forming the
また、図2(b)に示す領域D(電解質膜1の周囲、および触媒層3の周囲に形成される第1ガスケット層31のさらに外周)にも第1ガスケット層31を塗布してもよい。これにより、電解質膜1の端部についても封止を行うことも可能であり、これにより電解質膜1の湿度維持に寄与できる。
最後に、プレスおよび熱処理をして、膜電極接合体12を一体化する(図2(c))。膜電極接合体12の一体化の方法は、熱プレス法や熱ラミネート法が好ましいが、これに限られない。こうして、本発明の膜電極接合体12を作製することができる。なお、本実施の形態においては、アノード側から先に形成する方法を例示したが、カソード側を先に形成する方法も可能である。
Further, the
Finally, pressing and heat treatment are performed to integrate the membrane electrode assembly 12 (FIG. 2C). The method of integrating the
以下に、具体的な実施例を示し、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の膜電極接合体およびその製造方法をさらに説明する。なお、後述する実施例は一例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
また、以下に説明する実施例では、上述した製造方法と異なり、カソード側から先に形成した。
白金担持量が60%である白金担持カーボン触媒と、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、混合比1:2の水、エタノール混合溶媒で混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調整した。
Hereinafter, specific examples will be shown, and the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment and the manufacturing method thereof will be further described. In addition, the Example mentioned later is an example and this invention is not limited only to this Example.
Moreover, in the Example described below, unlike the manufacturing method mentioned above, it formed previously from the cathode side.
A platinum-supported carbon catalyst having a platinum loading of 60% and Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), which is a 20% by mass polymer electrolyte solution, were mixed with a water / ethanol mixed solvent having a mixing ratio of 1: 2. Subsequently, a dispersion treatment was performed with a planetary ball mill to prepare a catalyst ink.
プレート上に転写シートを固定し、ドクターブレードにより触媒インクを転写シート上に塗布した。触媒インクからなる塗膜が形成された転写シートをオーブン(熱風循環恒温乾燥機41‐S5H/佐竹化学機械工業社製)に入れ、オーブンの温度を50℃に設定し5分間乾燥させることで転写シート上に触媒層2、3を作製した。このとき、白金担持量はカソード触媒層3が約0.5mg/cm2、アノード触媒層2が約0.3mg/cm2となるように調製した。
The transfer sheet was fixed on the plate, and the catalyst ink was applied onto the transfer sheet with a doctor blade. The transfer sheet on which the coating film made of catalyst ink is formed is placed in an oven (hot air circulating thermostatic dryer 41-S5H / Satake Chemical Machinery Co., Ltd.), and the oven temperature is set to 50 ° C. and dried for 5 minutes. Catalyst layers 2 and 3 were produced on the sheet. At this time, the platinum loading was adjusted so that the
触媒層2、3が形成された転写シートを25cm2に2枚切り取り、触媒層2、3が正対するように、電解質膜1の両面にそれぞれ配置した。電解質膜1としては、Nafion211(デュポン社製)を用いた。続いて、130℃、6MPaの条件でホットプレスを行い、転写基材のみを剥がした。
次に、厚さ50μmのPTFEシート上に額縁形状にフルオロエーテル系の接着剤を厚さ25μmとなるようにスクリーン印刷にて塗布し、その後、短冊状の厚さ150μmのPENフィルムを印刷部の上に載せてその端部同士を同じ材料でディスペンサーにて塗布した。
Two transfer sheets on which the catalyst layers 2 and 3 were formed were cut out at 25 cm 2 and arranged on both surfaces of the
Next, a fluoroether adhesive is applied in a frame shape on a 50 μm-thick PTFE sheet by screen printing so as to have a thickness of 25 μm, and then a strip-like PEN film having a thickness of 150 μm is applied to the printed portion. It was placed on top and its ends were coated with the same material using a dispenser.
その後、厚さ50μmのPTFEシート上に額縁形状にフルオロエーテル系の接着剤を厚さ25μmとなるようにスクリーン印刷にて塗布したシートをさらに載せ、熱プレスと150℃のポストベーク後、PTFEシートを剥がすことにより、一体化した第2ガスケット層32と第3ガスケット層33とを得た。
カソード触媒層3の端部に、スクリーン印刷によりフルオロエーテル系の接着剤を35μm厚さになるよう塗布し、第1ガスケット層31を形成した。続いて、MPL処理カーボンペーパー(東レ社製)をカソード触媒層3上に貼合した後、カソード側ガス拡散層5を形成し、形成したガス拡散層5の端部に、一体化した第2ガスケット層32と第3ガスケット層33を形成した。
After that, a sheet coated with a fluoroether adhesive in a frame shape by screen printing so as to have a thickness of 25 μm is placed on a PTFE sheet having a thickness of 50 μm, and after PTFE sheet is heated and post-baked at 150 ° C. The
A fluoroether adhesive was applied to the end of the
上下反転させ、アノード触媒層2の端部に、スクリーン印刷によりフルオロエーテルタイプの接着剤を35μmの厚さになるよう塗布し、第1ガスケット層21を形成した。このとき、先に形成したカソード側第2ガスケット層32上にも接着剤を塗布した。続いて、カソード側と同様に、ガス拡散層4、および一体化した第2ガスケット層22と第3のガスケット層23を形成した。
The
以上のようにして得られた膜電極接合体12を、プレス後、オーブンに入れ、150℃、1時間加熱処理して一体化を行った。これにより、所望の膜電極接合体12を得ることができた。
また、加熱処理後、膜電極接合体12を刃型により打ち抜いた。触媒層2、3と第1ガスケット層21、31との間隙の観察を行ったところ、間隙は、第1ガスケット層21、31で埋められていることが確認できた。また、電解質膜1の端部もガスケットにより封止されていることを確認することができた。
The membrane /
Further, after the heat treatment, the
本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池、特に燃料電池自動車や家庭用燃料電池などにおける、固体高分子形燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。 The membrane electrode assembly according to the present invention can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell single cell or a stack in a polymer electrolyte fuel cell, particularly a fuel cell automobile or a household fuel cell.
1・・・電解質膜
2・・・アノード触媒層
3・・・カソード触媒層
4・・・アノード側ガス拡散層
5・・・カソード側ガス拡散層
12・・・膜電極接合体
21・・・アノード側第1ガスケット層
22・・・アノード側第2ガスケット層
23・・・アノード側第3ガスケット層
31・・・カソード側第1ガスケット層
32・・・カソード側第2ガスケット層
33・・・カソード側第3ガスケット層
81・・・固体高分子電解質膜
82・・・アノード触媒層
83・・・カソード触媒層
84・・・アノード側ガス拡散層
85・・・カソード側ガス拡散層
86・・・アノード
87・・・カソード
88・・・アノード側ガスケット
89・・・カソード側ガスケット
90・・・セパレータ
92・・・膜電極接合体
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記電解質膜は、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、および前記ガス拡散層よりも大きい面積を有し、
前記ガスケット層は、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層のそれぞれの周囲、かつ、前記電解質膜の両面に配置される液状樹脂の硬化物である第1のガスケット層と、前記第1のガスケット層上に配置される2つの部位からなる第2のガスケット層と、前記第2のガスケット層の前記2つの部位の間に配置される第3のガスケット層と、が一体化されてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。 The cathode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane, and the surfaces of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer that are in contact with the electrolyte membrane are opposite to each other A membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell having a gas diffusion layer and a gasket layer disposed on each of the surfaces,
The electrolyte membrane has a larger area than the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the gas diffusion layer,
The gasket layer includes a first gasket layer that is a cured product of a liquid resin disposed around each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer and on both surfaces of the electrolyte membrane; and the first gasket layer A second gasket layer composed of two parts disposed above and a third gasket layer disposed between the two parts of the second gasket layer are integrated. A membrane electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell.
前記アノード触媒層の厚さと、前記アノード触媒層の周囲に配置される前記第1のガスケット層の厚さとが等しいことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池の膜電極接合体。 The thickness of the cathode catalyst layer is equal to the thickness of the first gasket layer disposed around the cathode catalyst layer; and
The membrane electrode joint of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the thickness of the anode catalyst layer is equal to the thickness of the first gasket layer disposed around the anode catalyst layer. body.
前記第1のガスケット層を、パターン印刷により前記電解質膜上に形成することを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜電極接合体の製造方法。 The cathode catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, the anode catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane, and the surfaces of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer that are in contact with the electrolyte membrane are opposite to each other A gas diffusion layer disposed on each of the surfaces of the gas diffusion layer and the gasket layer, and the electrolyte membrane has a larger area than the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, and the gas diffusion layer, and the gasket. A first gasket layer that is a cured product of a liquid resin disposed around each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer and on both surfaces of the electrolyte membrane; and on the first gasket layer A second gasket layer composed of two portions to be disposed and a third gasket layer disposed between the two portions of the second gasket layer are integrated. A method of manufacturing a membrane electrode assembly body polymer fuel cell,
A method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the first gasket layer is formed on the electrolyte membrane by pattern printing.
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