JP2012190720A - Membrane electrode assembly in solid polymer fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

Membrane electrode assembly in solid polymer fuel cell and method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2012190720A
JP2012190720A JP2011054646A JP2011054646A JP2012190720A JP 2012190720 A JP2012190720 A JP 2012190720A JP 2011054646 A JP2011054646 A JP 2011054646A JP 2011054646 A JP2011054646 A JP 2011054646A JP 2012190720 A JP2012190720 A JP 2012190720A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
layer
gasket
electrode assembly
electrolyte membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011054646A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5838570B2 (en
Inventor
Yu Sakurada
雄 桜田
Hitoshi Kurihara
均 栗原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toppan Inc
Original Assignee
Toppan Printing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toppan Printing Co Ltd filed Critical Toppan Printing Co Ltd
Priority to JP2011054646A priority Critical patent/JP5838570B2/en
Publication of JP2012190720A publication Critical patent/JP2012190720A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5838570B2 publication Critical patent/JP5838570B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly in a solid polymer fuel cell, high in sealability.SOLUTION: In a membrane electrode assembly in a solid polymer fuel cell, a gasket layer is formed by impregnating a fibrous material with a sticking agent or an adhesive agent, the gasket layer being adjacent to a catalyst layer formed on both surfaces of an electrolyte membrane of the membrane electrode assembly. Thus, breakage of the electrolyte membrane due to expansion and shrinkage and breakage and peeling of each member owing to a heat treatment process during manufacture can be suppressed, and the sealability of the membrane electrode assembly can be increased by making the surface of a thermosetting resin uniform.

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池における膜電極接合体とその製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly in 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。この発電方式は、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。
この燃料電池が適用されている例は、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、燃料電池自動車等があり、用途も規模も多様である。
A fuel cell is a power generation method in which chemical energy of fuel is converted into electric energy and extracted by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. This power generation method is expected to be a new energy because of its advantages such as high power generation efficiency, excellent quietness, and low emissions of NOx and SOx that cause air pollution and CO 2 that causes global warming. ing.
Examples of the application of this fuel cell include a long-time power supply for portable electric devices, a stationary generation hot water supply machine for cogeneration, a fuel cell vehicle, and the like, which have various uses and scales.

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、それぞれ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。   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. Is also different.

陽イオン交換膜を電解質として用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれ、燃料電池の中でも比較的低温での動作が可能であり、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り、車搭載源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されている。   The one using a cation exchange membrane as an electrolyte is called a polymer electrolyte fuel cell, and can operate at a relatively low temperature among fuel cells, and the internal resistance can be reduced by reducing the thickness of the electrolyte membrane. Therefore, high output and compactness are possible, and it is considered promising for use as a vehicle-mounted source or household stationary power source.

固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane−Electrolyte Assembly;MEA)と呼ばれる電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレータ板で挟持した電池である。この一対のセパレータ板で挟持した電池を単電池セルと呼ぶ。   A polymer electrolyte fuel cell is a fuel in which a pair of electrode catalyst layers are arranged on both sides of an electrolyte membrane called a membrane-electron assembly (MEA), and hydrogen is contained in one of the electrodes. The battery is sandwiched between a pair of separator plates in which a gas flow path for supplying gas and supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode is formed. A battery sandwiched between the pair of separator plates is called a single battery cell.

固体高分子形燃料電池は、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、単電池セルを複数積層(スタック)して用いられる。スタックする枚数は、必要な電力により異なり、一般的な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60〜90枚程度、自動車用途では250〜400枚程度である。高出力化をするためにはスタック枚数を増やすことが必要となり、単電池セルのコストが燃料電池全体のコストに大きく影響する。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いる。   A polymer electrolyte fuel cell is used by stacking a plurality of unit cells for the purpose of increasing power density and making the entire fuel cell compact. The number of sheets to be stacked varies depending on the required electric power. For portable power sources of general portable electric devices, several to about 10 sheets, for stationary electric and hot water supply machines for cogeneration, about 60 to 90 sheets, and for automobile applications, 250 to About 400 sheets. In order to increase the output, it is necessary to increase the number of stacks, and the cost of the unit cell greatly affects the cost of the entire fuel cell. From the viewpoint of process cost, a membrane electrode assembly structure with a small number of parts and easy assembly is desired.

膜電極接合体の一部を構成するガスケットには、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に寄与することが求められている。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。   Gaskets constituting a part of the membrane electrode assembly are 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. 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.

このような従来の固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体として、特許文献1にて開示されたものがある。この膜電極接合体は、高分子電解質膜と熱硬化性樹脂からなる補強枠(第2のガスケット)との間の少なくとも一部に熱可塑性樹脂からなる保護層(第1のガスケット)を設けたことを特徴とする。   As such a membrane electrode assembly for a conventional polymer electrolyte fuel cell, there is one disclosed in Patent Document 1. In this membrane / electrode assembly, a protective layer (first gasket) made of a thermoplastic resin is provided at least partially between the polymer electrolyte membrane and the reinforcing frame (second gasket) made of a thermosetting resin. It is characterized by that.

補強枠を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させ、シール性を向上させている。また、保護層を熱可塑性樹脂で形成することで、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している。すなわち、この保護層により、補強枠を構成する熱硬化性樹脂を硬化させるための高温下において、熱硬化性樹脂成分である主剤や硬化剤成分を原因とする高分子電解質膜の変質を抑制する作用等を有している。   By disposing the reinforcing frame on the plane with a thermosetting resin having a high elastic modulus, the stress applied to the gasket is dispersed to suppress the distortion of the electrolyte membrane and improve the sealing performance. In addition, by forming the protective layer from a thermoplastic resin, alteration of the electrolyte membrane at a high temperature during thermosetting due to components (main agent and curing agent) of the thermosetting resin that is the reinforcing frame is reduced. That is, this protective layer suppresses the deterioration of the polymer electrolyte membrane caused by the main component and the curing agent component which are thermosetting resin components at a high temperature for curing the thermosetting resin constituting the reinforcing frame. It has an action etc.

特開2007−109576号公報JP 2007-109576 A

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、熱可塑性樹脂のような固体物を電解質膜上に積層しているため、精度的な問題からの間隙が生じやすいという不都合があった。また、燃料電池が発電、非発電を繰り返すことで、電解質膜は湿潤状態と乾燥状態を繰り返する。このとき、膨張と収縮が繰り返されて、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可能性がある。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おそれがある。   However, the technique described in Patent Document 1 has a disadvantage that a gap due to an accuracy problem is likely to occur because a solid material such as a thermoplastic resin is laminated on the electrolyte membrane. Further, 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, when expansion and contraction are repeated and there is a gap between the catalyst layer and the gasket layer, stress concentrates in the gap, and the electrolyte membrane may be damaged due to fatigue. As a result, there is a possibility that gas leakage from a damaged part or a decrease in humidity may occur.

また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を接合する場合、熱硬化性樹脂表面のムラに起因し、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂間に間隙が生じやすいという課題もある。さらに、ピンホール等に代表されるような熱硬化性樹脂表面の局所的な間隙からガスリークが生じるおそれがある。   Moreover, when joining a thermosetting resin and a thermoplastic resin, there also exists the subject that a clearance gap tends to arise between a thermosetting resin and a thermoplastic resin resulting from the nonuniformity of the thermosetting resin surface. Furthermore, there is a possibility that gas leakage may occur from a local gap on the surface of the thermosetting resin as typified by a pinhole.

さらに、熱硬化性樹脂表面のムラに起因し、ガスケットの膜厚制御が難しくなるという不都合があった。   Furthermore, there is a disadvantage that it is difficult to control the film thickness of the gasket due to unevenness of the surface of the thermosetting resin.

本発明の目的は、シール性の高い固体高分子形燃料電池における膜電極接合体を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell having a high sealing property.

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用した。   The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems.

本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体に関する。
そして、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の周縁部が露出するようにそれぞれ形成された触媒層と、触媒層と隣接し、固体高分子電解質膜の周縁部を覆うようにこの固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成された一対の第1のガスケット層と、触媒層を少なくとも覆うように、この触媒層の外方の両面にそれぞれ形成された一対のガス拡散層と、固体高分子電解質膜およびガス拡散層を取り囲むようそれぞれ形成された一対の第2のガスケット層とを備え、第1のガスケット層は、繊維状の材料に粘着剤または接着剤を含浸させたものからなることを特徴とする。
The present invention relates to a membrane electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell.
The solid polymer electrolyte membrane, the catalyst layer formed so that the peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane is exposed, and the solid adjacent to the catalyst layer and covering the peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane A pair of first gasket layers respectively formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane; a pair of gas diffusion layers respectively formed on both outer surfaces of the catalyst layer so as to cover at least the catalyst layer; A pair of second gasket layers formed so as to surround the molecular electrolyte membrane and the gas diffusion layer, respectively, and the first gasket layer is made of a fibrous material impregnated with an adhesive or an adhesive. It is characterized by.

また、触媒層と第1のガスケット層とは、略同一の厚さであることを特徴とする。   The catalyst layer and the first gasket layer are characterized by having substantially the same thickness.

また、第2のガスケット層は、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする。   Further, the second gasket layer is made of a thermoplastic resin.

また、第1のガスケット層を構成する繊維状の材料は、枠状に打ち抜きされたものであることを特徴とする。   Further, the fibrous material constituting the first gasket layer is punched into a frame shape.

また、第1のガスケット層を構成する繊維状の材料はガラスペーパーであって、粘着剤または接着剤はガラスペーパーと親和性の高いものであることを特徴とする。   Moreover, the fibrous material which comprises a 1st gasket layer is glass paper, Comprising: The adhesive or adhesive agent has a high affinity with glass paper, It is characterized by the above-mentioned.

そして、本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法に関する。
そして、固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部が露出するように一対の触媒層をそれぞれ形成する工程と、触媒層に隣接して、固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部を覆うように一対の第1のガスケット層を形成する工程と、触媒層の外方の両面に、この触媒層を少なくとも覆うように一対のガス拡散層をそれぞれ形成する工程と、固体高分子電解質膜およびガス拡散層を取り囲むように一対の第2のガスケット層をそれぞれ形成する工程とを含み、第1のガスケット層は、繊維状の材料に粘着剤または接着剤を含浸させたものからなることを特徴とする。
And this invention relates to the manufacturing method of the membrane electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell.
And a step of forming a pair of catalyst layers on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so that the peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane is exposed, and both sides of the solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer. A step of forming a pair of first gasket layers so as to cover the peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers so as to cover at least the catalyst layer on both sides of the catalyst layer. And a step of forming a pair of second gasket layers so as to surround the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, respectively, and the first gasket layer is made of an adhesive to the fibrous material. Or it consists of what was impregnated with the adhesive agent.

本発明によれば、上記の特徴を有することから、下記に示すことが可能となる。   According to the present invention, since it has the above characteristics, the following can be achieved.

すなわち、固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体において、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部が露出するようにそれぞれ形成された一対の触媒層と、触媒層と隣接し、固体高分子電解質膜周縁部を覆うようにこの固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成された第1のガスケット層と、触媒層を少なくとも覆うように、この触媒層の外方の両面にそれぞれ形成された一対のガス拡散層と、固体高分子電解質膜およびガス拡散層を取り囲むようにそれぞれ形成された一対の第2のガスケット層とを備え、第1のガスケット層は、繊維状の材料に粘着剤または接着剤を含浸させたものからなるので、粘着剤または接着剤のみを使用した際に生じる粘着剤または接着剤表面の凸凹形状やムラが解消され、触媒層と第2のガスケット層との間隙を埋めることができる。このため、シール性の高い膜電極接合体を実現できるとともに、電解質膜の破損を防止することができる。
また、本発明における第1のガスケット層の厚さは繊維状の材料の厚さと略等しい。このため、この繊維状の材料の厚さを適宜選択することにより、第1のガスケット層の厚さを触媒層の厚さに揃えることが容易となる。
That is, in the membrane electrode assembly used in the polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte membrane are formed on both surfaces so that the peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane is exposed. A pair of catalyst layers, a first gasket layer formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so as to cover the periphery of the solid polymer electrolyte membrane and adjacent to the catalyst layer, and to cover at least the catalyst layer And a pair of gas diffusion layers respectively formed on both outer surfaces of the catalyst layer, and a pair of second gasket layers respectively formed so as to surround the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, Since the first gasket layer is made of a fibrous material impregnated with a pressure-sensitive adhesive or an adhesive, the pressure-sensitive adhesive or the surface of the pressure-sensitive adhesive generated when only the pressure-sensitive adhesive or adhesive is used Or unevenness is eliminated, it is possible to fill the gap between the catalyst layer and the second gasket layer. For this reason, while being able to implement | achieve a membrane electrode assembly with high sealing performance, damage to an electrolyte membrane can be prevented.
Moreover, the thickness of the 1st gasket layer in this invention is substantially equal to the thickness of a fibrous material. For this reason, it becomes easy to make the thickness of the first gasket layer equal to the thickness of the catalyst layer by appropriately selecting the thickness of the fibrous material.

また、触媒層と第1のガスケット層とを略同一の厚さにした場合は、厚さの違いによる段差が形成されず、間隙が生じないので、シール性が低下することを防止することが可能となる。   Further, when the catalyst layer and the first gasket layer have substantially the same thickness, a step due to the difference in thickness is not formed, and no gap is generated, so that it is possible to prevent the sealing performance from being deteriorated. It becomes possible.

また、第2のガスケット層を熱可塑性樹脂からなるものとした場合、熱硬化性樹脂からなるものとした場合に高温化で硬化させる工程が不要となる。   Further, when the second gasket layer is made of a thermoplastic resin, a step of curing at a high temperature becomes unnecessary when the second gasket layer is made of a thermosetting resin.

また、第1のガスケット層を構成する繊維状の材料を、枠状に打ち抜きされたものにした場合は、生産性が上がり、かつ、部品精度が向上する。   Further, when the fibrous material constituting the first gasket layer is punched into a frame shape, the productivity is increased and the component accuracy is improved.

また、第1のガスケット層を構成する繊維状の材料をガラスペーパーとし、粘着剤または接着剤をガラスペーパーと親和性の高いものとした場合は、粘着剤または接着剤がスムーズに含浸可能となり、また、ガラスペーパーは電気絶縁性があり電気的短絡を防止できる。   In addition, when the fibrous material constituting the first gasket layer is glass paper, and the adhesive or adhesive has a high affinity with glass paper, the adhesive or adhesive can be smoothly impregnated, Further, the glass paper is electrically insulating and can prevent an electrical short circuit.

そして、本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法において、固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部が露出するように一対の触媒層をそれぞれ形成する工程と、触媒層に隣接して、固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部を覆うように一対の第1のガスケット層をそれぞれ形成する工程と、触媒層の外方の両面に、この触媒層を少なくとも覆うように一対のガス拡散層をそれぞれ形成する工程と、固体高分子電解質膜およびガス拡散層を取り囲むように一対の第2のガスケット層をそれぞれ形成する工程とを含み、第1のガスケット層は、繊維状の材料に粘着剤または接着剤を含浸させたものからなるものとしたので、シール性に優れた膜電極構造体を製造することができる。   Then, the present invention provides a method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell, wherein a pair of catalysts is exposed on both sides of the polymer electrolyte membrane so that the peripheral portions of the polymer electrolyte membrane are exposed. Forming each of the layers; forming a pair of first gasket layers on both sides of the solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer so as to cover the periphery of the solid polymer electrolyte membrane; A step of forming a pair of gas diffusion layers on both outer surfaces of the catalyst layer so as to cover at least the catalyst layer, and a pair of second gasket layers so as to surround the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer The first gasket layer is made of a fibrous material impregnated with a pressure-sensitive adhesive or an adhesive, so that a membrane electrode structure having excellent sealing properties is manufactured. Door can be.

本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の概略断面図Schematic sectional view of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention 本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法の一工程を示す概略断面図Schematic sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造方法の別の工程を示す概略断面図Schematic sectional drawing which shows another process of the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明と関連する技術に係る固体高分子形燃料電池の概略断面図Schematic sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to a technique related to the present invention

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の実施形態について説明する前に、本発明に関連する固体高分子形燃料電池について、図4を参照してまず説明する。
図4に示すように、固体高分子形燃料電池の単電池セル100は膜電極接合体110とこれを挟持する一対のセパレータ111とを備える。膜電極接合体110は、固体高分子電解質膜101の一方の面にアノード触媒層103とアノード側ガス拡散層105とガスケット層109とを備え、他方の面にカソード触媒層102とカソード側ガス拡散層104とガスケット層108とを備えている。
Before describing an embodiment of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell related to the present invention will be first described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4, the unit cell 100 of the polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly 110 and a pair of separators 111 that sandwich the membrane electrode assembly 110. The membrane electrode assembly 110 includes an anode catalyst layer 103, an anode side gas diffusion layer 105, and a gasket layer 109 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 101, and a cathode catalyst layer 102 and cathode side gas diffusion on the other surface. A layer 104 and a gasket layer 108 are provided.

すなわち、図4に示す固体高分子形燃料電池の単電池セル100は、固体高分子電解質膜101(パーフルオロカーボンスルホン酸膜からなる)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)あるいは他の金属(例えばRu、Rh、Mo、Cr、Co、Fe等))を担持したカソード触媒層102とアノード触媒層103とで挟持し、このカソード触媒層102とアノード触媒層103とをそれぞれカソード側ガス拡散層104とアノード側ガス拡散層105で挟持してカソード106およびアノード107とし、ガスのシールの機能を有するカソード側ガスケット108とアノード側ガスケット109にて膜電極接合体110を構成している。そして、膜電極接合体110を一組のセパレータ111により挟持して単電池セル100が構成される。   That is, the unit cell 100 of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 4 has a solid polymer electrolyte membrane 101 (made of a perfluorocarbon sulfonic acid membrane) as a carbon black particle and a catalytic substance (mainly platinum (Pt) or other). Are sandwiched between a cathode catalyst layer 102 and an anode catalyst layer 103 supporting a metal (for example, Ru, Rh, Mo, Cr, Co, Fe, etc.), and the cathode catalyst layer 102 and the anode catalyst layer 103 are respectively connected to the cathode side. The cathode 106 and the anode 107 are sandwiched between the gas diffusion layer 104 and the anode side gas diffusion layer 105, and the membrane electrode assembly 110 is configured by the cathode side gasket 108 and the anode side gasket 109 having a gas sealing function. . The unit cell 100 is configured by sandwiching the membrane electrode assembly 110 with a pair of separators 111.

それでは、本発明の実施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、図1乃至図3を用いて詳細に説明する。   Now, a membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to FIGS.

図1は、本発明の実施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10の概略断面図である。
図1に示すように、本発明の実施にかかる膜電極接合体10は、電解質膜1と、この電解質膜1の一面(図1において上面)に配置されたカソード触媒層2と、電解質膜1の他面(図1において下面)に配置されたアノード触媒層3とを備える。これらカソード触媒層2およびアノード触媒層3の周縁部には、それぞれ第1のカソード側ガスケット6および第1のアノード側ガスケット7が設けられている。さらに、カソード触媒層2およびアノード触媒層3の、電解質膜1と接する面と異なる面には、それぞれカソード側ガス拡散層4およびアノード側ガス拡散層5が設けられている。そして、これらカソード側ガス拡散層4およびアノード側ガス拡散層5の周縁部には、それぞれ第2のカソード側ガスケット8および第2のアノード側ガスケット9が設けられている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly 10 in a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly 10 according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane 1, a cathode catalyst layer 2 disposed on one surface of the electrolyte membrane 1 (upper surface in FIG. 1), and an electrolyte membrane 1. And an anode catalyst layer 3 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 1). A first cathode side gasket 6 and a first anode side gasket 7 are provided on the peripheral portions of the cathode catalyst layer 2 and the anode catalyst layer 3, respectively. Furthermore, a cathode side gas diffusion layer 4 and an anode side gas diffusion layer 5 are provided on the surfaces of the cathode catalyst layer 2 and the anode catalyst layer 3 different from the surfaces in contact with the electrolyte membrane 1, respectively. A second cathode side gasket 8 and a second anode side gasket 9 are provided on the peripheral portions of the cathode side gas diffusion layer 4 and the anode side gas diffusion layer 5, respectively.

電解質膜1は、両触媒層2、3および両ガス拡散層4、5の面積よりも一回り大きく形成され、両触媒層2、3の端部の周囲に配置される第1のガスケット層6、7と、両触媒層2、3の外方の面上に配置される両触媒層2、3より大きい面積を持つガス拡散層4、5と、両ガス拡散層4、5の端部の周囲に配置される第2のガスケット層8、9とが一体化されて形成されている。   The electrolyte membrane 1 is formed to be slightly larger than the areas of the catalyst layers 2 and 3 and the gas diffusion layers 4 and 5, and is disposed around the ends of the catalyst layers 2 and 3. , 7, gas diffusion layers 4, 5 having an area larger than both catalyst layers 2, 3 disposed on the outer surfaces of both catalyst layers 2, 3, and end portions of both gas diffusion layers 4, 5 The second gasket layers 8 and 9 disposed around are integrally formed.

本実施形態においては、ガスケット層を第1のガスケット層6、7と第2のガスケット層8、9に分けることにより、触媒層2、3と第1のガスケット層6、7との間隙、およびガス拡散層4、5と第2のガスケット層8、9との間隙を抑えて、シール性を向上している。   In this embodiment, the gap between the catalyst layers 2, 3 and the first gasket layers 6, 7 is obtained by dividing the gasket layer into the first gasket layers 6, 7 and the second gasket layers 8, 9, and The gap between the gas diffusion layers 4 and 5 and the second gasket layers 8 and 9 is suppressed to improve the sealing performance.

本実施形態で用いられる電解質膜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。   The electrolyte membrane 1 used in the present embodiment may be one generally used for a polymer electrolyte fuel cell. For example, a fluorine-based electrolyte membrane or a hydrocarbon electrolyte membrane can be suitably used, and a fluorine-based electrolyte membrane is particularly desirable.

触媒層2、3についても、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:20〜100nm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により作製されるものが使用できる。   The catalyst layers 2 and 3 may also 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 another metal (for example, Ru, Rh, Mo, Cr, Co, Fe, etc.) (the average particle size is preferably 10 nm or less) is supported on the surface. Made of ink in which carbonaceous fine particles (average particle diameter: about 20 to 100 nm) and a polymer solution such as a perfluorosulfonic acid resin solution are uniformly mixed in a suitable solvent (such as ethanol). Can be used.

ガス拡散層4、5については、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。ガス拡散層4、5は、触媒層2、3より大きい面積を持つ。このように構成することにより、高価な白金触媒等を含む触媒層2、3を、端部まで利用することができる。   The gas diffusion layers 4 and 5 may have at least gas permeability (breathability) and conductivity. For example, woven fabrics, non-woven fabrics (felts obtained by entanglement of carbon fibers, etc.), papers (carbon papers, etc.) made of carbon materials are widely used. The gas diffusion layers 4 and 5 have a larger area than the catalyst layers 2 and 3. By comprising in this way, the catalyst layers 2 and 3 containing an expensive platinum catalyst etc. can be utilized to an edge part.

第1のガスケット層6、7は、繊維状材料の繊維間に粘着剤または接着剤を含浸させて形成されている。
粘着剤または接着剤は、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、電解質膜1上に配置されることから、粘着剤または接着剤由来の溶媒による電解質膜1の膨潤を避けるために、無溶媒系であることが望ましい。
繊維状材料は、粘着剤または接着剤を含浸させることから、粘着剤または接着剤との親和性が高いものが望ましい。また、ガスケットとしての用途を考慮し、電気的短絡を防ぐために、電気絶縁性であることが求められることから、ガラスペーパー等のガラス繊維やアルミナ繊維が望ましい。
The first gasket layers 6 and 7 are formed by impregnating an adhesive or an adhesive between the fibers of the fibrous material.
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, since it is arrange | positioned on the electrolyte membrane 1, in order to avoid the swelling of the electrolyte membrane 1 by the solvent derived from an adhesive or an adhesive agent, it is desirable that it is a solventless system.
Since the fibrous material is impregnated with a pressure-sensitive adhesive or an adhesive, a material having a high affinity with the pressure-sensitive adhesive or the adhesive is desirable. Moreover, considering the use as a gasket, in order to prevent an electrical short circuit, since it is calculated | required that it is electrical insulation, glass fibers, such as glass paper, and an alumina fiber are desirable.

第1のガスケット層6、7として、繊維状の材料に、母材(マトリックス)として粘着剤または接着剤を用いて、繊維状材料の繊維間に粘着剤または接着剤を含浸させるようにしたので、粘着剤または接着剤のみを使用した際に生じる粘着剤または接着剤表面の凸凹形状やムラが解消され、触媒層2、3と第1のガスケット層6、7との間隙を埋めることができる。このため、電解質膜1の破損を防止することができる。   As the first gasket layers 6 and 7, the fibrous material is impregnated with the adhesive or adhesive between the fibers of the fibrous material by using the adhesive or adhesive as the base material (matrix). The unevenness and unevenness of the surface of the pressure-sensitive adhesive or the adhesive generated when only the pressure-sensitive adhesive or the adhesive is used can be eliminated, and the gap between the catalyst layers 2 and 3 and the first gasket layers 6 and 7 can be filled. . For this reason, damage to the electrolyte membrane 1 can be prevented.

第1のガスケット層6、7は、図2に示す領域Aの部分でガス拡散層4、5と接することから、ガス拡散層4、5を膜電極接合体10として一体化できる。領域Aは、狭すぎると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、0.2〜2.0cm程度が好ましい。   Since the first gasket layers 6 and 7 are in contact with the gas diffusion layers 4 and 5 in the region A shown in FIG. 2, the gas diffusion layers 4 and 5 can be integrated as a membrane electrode assembly 10. If the region A is too narrow, the adhesion is insufficient, and if it is too wide, the gas diffusion layers 4 and 5 are wasted, so about 0.2 to 2.0 cm is preferable.

第2のガスケット層8、9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)またはPEN(ポリエチレンナフタレート)、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い。熱可塑樹脂として繊維強化されたものを用いてもよい。   The second gasket layers 8 and 9 are made of a thermoplastic resin. For example, PET (polyethylene terephthalate) or PEN (polyethylene naphthalate), 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. A fiber reinforced resin may be used as the thermoplastic resin.

第2のガスケット層8、9は、第1のガスケット層6、7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、単電池セル組み立て後のガスケット全体に加わる応力を第2のガスケット層8、9により受け、かつ、応力を分散し、応力による電解質膜1の歪みを軽減することができる。   It is desirable that the second gasket layers 8 and 9 are sufficiently thicker than the first gasket layers 6 and 7. Desirably, the thickness is about 4 to 15 times. As a result, the stress applied to the entire gasket after assembling the single battery cell is received by the second gasket layers 8 and 9, and the stress is dispersed, and the distortion of the electrolyte membrane 1 due to the stress can be reduced.

次に、本実施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および図3により説明する。   Next, a method for producing a membrane electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図2に示すように、最初に、電解質膜1上に触媒層2、3を形成する。触媒層2、3を形成するにあたっては、まず、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を、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、噴霧法を用い電解質膜1上に塗布することで、触媒層2、3を形成する。また、転写基材を用いて転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に触媒層を一旦形成した後に、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。   As shown in FIG. 2, first, catalyst layers 2 and 3 are formed on the electrolyte membrane 1. In forming the catalyst layers 2 and 3, first, an ink including a polymer electrolyte, a catalyst material, a carbon carrier carrying a catalyst, and a dispersion medium is prepared. The catalyst layers 2 and 3 are formed by applying the prepared catalyst ink on the electrolyte membrane 1 using a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spraying method, or a spraying method. To do. Alternatively, the catalyst ink may be applied on the transfer substrate using the transfer substrate, and after the catalyst layer is once formed on the transfer substrate, the catalyst layers 2 and 3 may be formed on the electrolyte membrane 1 by the transfer method. good.

次に、第1のカソード側ガスケット層6を、カソード触媒層2の周囲である電解質膜1上(領域B)に形成する。第1のカソード側ガスケット層6を形成するには、枠形状(領域B)にカットした繊維状材料の繊維間に粘着剤または接着剤を含浸させた後、カソード触媒層2の周囲に配置することにより形成する。あるいは、粘着剤または接着剤が含浸された繊維状材料を、粘着剤または接着剤が固化しない状態でカソード触媒層2の周囲に配置することにより形成してもよい。第1のカソード側ガスケット層6の厚さ、すなわち繊維状材料の厚さは、カソード触媒層2と同じ厚さであることが望ましい。第1のカソード側ガスケット層6の厚さがカソード触媒層2の厚さと異なると、カソード側ガス拡散層4または第2のカソード側ガスケット層8を積層した際に、厚さの違いによる段差による間隙が生じて、シール性が低下するおそれがある。   Next, the first cathode-side gasket layer 6 is formed on the electrolyte membrane 1 (region B) that is around the cathode catalyst layer 2. In order to form the first cathode side gasket layer 6, an adhesive or an adhesive is impregnated between fibers of a fibrous material cut into a frame shape (region B), and then disposed around the cathode catalyst layer 2. To form. Or you may form by arrange | positioning the fibrous material impregnated with the adhesive or the adhesive around the cathode catalyst layer 2 in a state where the adhesive or the adhesive is not solidified. The thickness of the first cathode side gasket layer 6, that is, the thickness of the fibrous material is preferably the same as that of the cathode catalyst layer 2. If the thickness of the first cathode-side gasket layer 6 is different from the thickness of the cathode catalyst layer 2, when the cathode-side gas diffusion layer 4 or the second cathode-side gasket layer 8 is laminated, it is caused by a step due to the difference in thickness. There is a possibility that a gap is generated and the sealing performance is lowered.

第1のカソード側ガスケット層6を形成した後、第2のカソード側ガスケット層8およびカソード側ガス拡散層4を形成する。第2のカソード側ガスケット層8およびカソード側ガス拡散層4を形成するには、例えば、貼合装置等でこれら第2のカソード側ガスケット8およびカソード側ガス拡散層4をカソード触媒層2および第1のカソード側ガスケット層6に貼り合わせる。   After the first cathode side gasket layer 6 is formed, the second cathode side gasket layer 8 and the cathode side gas diffusion layer 4 are formed. In order to form the second cathode-side gasket layer 8 and the cathode-side gas diffusion layer 4, for example, the second cathode-side gasket 8 and the cathode-side gas diffusion layer 4 can be combined with the cathode catalyst layer 2 and the first catalyst layer with a bonding apparatus or the like. 1 is bonded to the cathode side gasket layer 6.

次に、図3に示すように、第1のアノード側ガスケット層7を形成するために、図2に示す工程により製造されたものを上下反転させ、第1のアノード側ガスケット層7を構成する繊維状材料の繊維間に粘着剤または接着剤を含浸させた後、アノード触媒層3の周囲に配置する。第1のカソード側ガスケット層6と同様に、粘着剤または接着剤が含浸された繊維状材料を、粘着剤または接着剤が固化しない状態でアノード触媒層3の周囲に配置することにより第1のアノード側ガスケット層7を形成してもよい。第1のアノード側ガスケット層7を形成した後、同様に第2のアノード側ガスケット層9およびアノード側ガス拡散層5を形成する。
図3に示す領域Cに第1のガスケット層7を積層することで電解質膜1の端部についても封止を行なうことができ、電解質膜1の湿度維持に寄与できる。
Next, as shown in FIG. 3, in order to form the first anode side gasket layer 7, the one manufactured by the process shown in FIG. 2 is turned upside down to constitute the first anode side gasket layer 7. After impregnating a pressure-sensitive adhesive or adhesive between the fibers of the fibrous material, the fiber material is disposed around the anode catalyst layer 3. Similar to the first cathode side gasket layer 6, the fibrous material impregnated with the pressure-sensitive adhesive or the adhesive is disposed around the anode catalyst layer 3 in a state where the pressure-sensitive adhesive or the adhesive is not solidified. The anode side gasket layer 7 may be formed. After the first anode side gasket layer 7 is formed, the second anode side gasket layer 9 and the anode side gas diffusion layer 5 are similarly formed.
By laminating the first gasket layer 7 in the region C shown in FIG. 3, the end of the electrolyte membrane 1 can also be sealed, which can contribute to maintaining the humidity of the electrolyte membrane 1.

最後に、プレスおよび熱処理をして、膜電極構造体10を一体化する。膜電極構造体10の一体化は、熱プレス法や熱ラミネート法等により行なっても良い。   Finally, pressing and heat treatment are performed to integrate the membrane electrode structure 10. The integration of the membrane electrode structure 10 may be performed by a hot pressing method, a thermal laminating method, or the like.

以上の構成により、膜電極構造体10をシール性に優れ、製造しやすいものにすることができる。   With the above configuration, the membrane electrode structure 10 can be excellent in sealing properties and easy to manufacture.

なお、図2および図3に示す本実施形態の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おいては、電解質膜1上に触媒層2、3を形成した後、第1のカソード側ガスケット層6、第2のカソード側ガスケット層8およびカソード側ガス拡散層4を形成し、さらに、第1のアノード側ガスケット層7、第2のアノード側ガスケット層9およびアノード側ガス拡散層5を順次形成していたが、先に第1のアノード側ガスケット層7、第2のアノード側ガスケット層9およびアノード側ガス拡散層5を形成してから、第1のカソード側ガスケット層6、第2のカソード側ガスケット層8およびカソード側ガス拡散層4を形成してもよい。   In the method for producing a membrane electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment shown in FIGS. 2 and 3, after the catalyst layers 2 and 3 are formed on the electrolyte membrane 1, the first cathode side is formed. A gasket layer 6, a second cathode side gasket layer 8 and a cathode side gas diffusion layer 4 are formed, and further, a first anode side gasket layer 7, a second anode side gasket layer 9 and an anode side gas diffusion layer 5 are formed. The first anode side gasket layer 7, the second anode side gasket layer 9 and the anode side gas diffusion layer 5 are formed first, and then the first cathode side gasket layer 6 and the second cathode side gasket layer 6 are formed. The cathode side gasket layer 8 and the cathode side gas diffusion layer 4 may be formed.

以下に、具体的な実施例により本実施形態の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説明する。なお、後述する実施例は本発明の一実施形態の実施例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment and a method for producing the same will be described with reference to specific examples. In addition, the Example mentioned later is an Example of one Embodiment of this invention, and this invention is not limited only to this Example.

白金担持量が60%である白金担持カーボン触媒と、20質量%の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。   A platinum-supported carbon catalyst having a platinum-supporting amount of 60% and Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), which is a 20% by mass polymer electrolyte solution, were mixed in 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、型名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2が約0.5mg/cm2、アノード触媒層3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. A transfer sheet on which a coating film made of catalyst ink is formed is placed in an oven (hot air circulating thermostatic dryer, model name 41-S5H / manufactured by Satake Chemical Industry Co., Ltd.), and the oven temperature is set to 50 ° C. and dried for 5 minutes. Thus, catalyst layers 2 and 3 were produced on the transfer sheet. At this time, the platinum loading was adjusted so that the cathode catalyst layer 2 was about 0.5 mg / cm 2 and the anode catalyst layer 3 was about 0.3 mg / cm 2 .

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の両面に配置した。電解質膜1としては、Nafion211(登録商標、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。 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 electrolyte membrane 1 so that the catalyst layers 2 and 3 face each other. As the electrolyte membrane 1, Nafion 211 (registered trademark, manufactured by DuPont) was used. Subsequently, hot pressing was performed under conditions of 130 ° C. and 6 MPa, and only the transfer substrate was peeled off.

カソード触媒層2の端部に、フッ素系樹脂の接着剤を含浸させた枠形状(領域B)のガラスペーパーを積層し、第1のカソード側ガスケット層6を形成した。続いて、MPL(Micro Porous Layer:微多孔質層)処理カーボンペーパー(東レ社製)をカソード触媒層2上に貼合してカソード側ガス拡散層4を形成し、175umの厚さのPEN(ポリエチレンナナフタレート)フィルムをカソード側ガス拡散層4の端部に貼合し、第2のカソード側ガスケット層8を形成した。   A frame-shaped (region B) glass paper impregnated with a fluorine-based resin adhesive was laminated on the end of the cathode catalyst layer 2 to form a first cathode-side gasket layer 6. Subsequently, MPL (Micro Porous Layer) treated carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) is bonded onto the cathode catalyst layer 2 to form the cathode side gas diffusion layer 4, and 175 μm thick PEN ( Polyethylene nanaphthalate) film was bonded to the end of the cathode side gas diffusion layer 4 to form a second cathode side gasket layer 8.

次に上下反転させ、アノード触媒層3の端部に、フッ素系樹脂の接着剤を含浸させた枠形状(領域B)のガラスペーパーを積層し、第1のアノード側ガスケット層7を形成した。続いて、カソード側と同様に、アノード側ガス拡散層5および第2のアノード側ガスケット層9を形成した。第2のアノード側ガスケット層9には、150umの厚さのPENフィルムを用いた。   Next, it was turned upside down, and a frame-shaped (region B) glass paper impregnated with a fluorine-based resin adhesive was laminated on the end of the anode catalyst layer 3 to form a first anode-side gasket layer 7. Subsequently, similarly to the cathode side, an anode side gas diffusion layer 5 and a second anode side gasket layer 9 were formed. A PEN film having a thickness of 150 μm was used for the second anode side gasket layer 9.

得られた膜電極接合体10を120℃、20KgF/cm2で1時間プレスをして一体化を行なった。 The obtained membrane electrode assembly 10 was pressed for 1 hour at 120 ° C. and 20 kg F / cm 2 to be integrated.

プレス後、膜電極接合体を刃型により打ち抜いた。第1のガスケット層6、7の表面の観察を行ったところ、表面は均一となっており、触媒層2、3と第1のガスケット層6、7間の間隙、第1のガスケット層6、7と第2のガスケット層8、9との間の間隙が埋められていることが確認できた。   After pressing, the membrane electrode assembly was punched with a blade die. When the surfaces of the first gasket layers 6 and 7 were observed, the surfaces were uniform, the gaps between the catalyst layers 2 and 3 and the first gasket layers 6 and 7, the first gasket layers 6 and 7, It was confirmed that the gap between 7 and the second gasket layers 8 and 9 was filled.

本発明による固体高分子形燃料電池膜電極構造体は、特に燃料電池自動車や家庭用燃料電池等に用いられる固体高分子形燃料電池の単セルやスタックに好適に活用できる。   The polymer electrolyte fuel cell membrane electrode structure according to the present invention can be suitably used particularly for a single cell or stack of a polymer electrolyte fuel cell used for a fuel cell automobile, a household fuel cell, or the like.

1 電解質膜
2 カソード触媒層
3 アノード触媒層
4 カソード側ガス拡散層
5 アノード側ガス拡散層
6 第1のカソード側ガスケット
7 第1のアノード側ガスケット
8 第2のカソード側ガスケット
9 第2のアノード側ガスケット
10 膜電極接合体
100 固体高分子形燃料電池
111 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Cathode catalyst layer 3 Anode catalyst layer 4 Cathode side gas diffusion layer 5 Anode side gas diffusion layer 6 1st cathode side gasket 7 1st anode side gasket 8 2nd cathode side gasket 9 2nd anode side Gasket 10 Membrane electrode assembly 100 Polymer electrolyte fuel cell 111 Separator

Claims (6)

固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体において、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部が露出するようにそれぞれ形成された一対の触媒層と、
前記触媒層に隣接し、前記固体高分子電解質膜の周縁部を覆うようにこの固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成された一対の第1のガスケット層と、
前記触媒層を少なくとも覆うように、この触媒層の外方の両面にそれぞれ形成された一対のガス拡散層と、
前記固体高分子電解質膜および前記ガス拡散層を取り囲むようにそれぞれ形成された一対の第2のガスケット層と、
を備え、
前記第1のガスケット層は、繊維状の材料に粘着剤または接着剤を含浸させたものからなる
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池における膜電極接合体。
In a membrane electrode assembly used for a polymer electrolyte fuel cell,
A solid polymer electrolyte membrane;
A pair of catalyst layers formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so that the peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane is exposed; and
A pair of first gasket layers respectively formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so as to cover the periphery of the solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer;
A pair of gas diffusion layers formed on both sides of the catalyst layer so as to cover at least the catalyst layer; and
A pair of second gasket layers respectively formed so as to surround the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer;
With
The membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell, wherein the first gasket layer is made of a fibrous material impregnated with an adhesive or an adhesive.
前記触媒層と第1のガスケット層とは、略同一の厚さである
ことを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the catalyst layer and the first gasket layer have substantially the same thickness.
前記第2のガスケット層は、熱可塑性樹脂からなる
ことを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the second gasket layer is made of a thermoplastic resin.
前記第1のガスケット層を構成する繊維状の材料は、枠状に打ち抜きされたものである
ことを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。
2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the fibrous material constituting the first gasket layer is punched into a frame shape.
前記第1のガスケット層を構成する繊維状の材料はガラスペーパーであって、前記粘着剤または接着剤は前記ガラスペーパーと親和性の高いものである
ことを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。
2. The membrane electrode according to claim 1, wherein the fibrous material constituting the first gasket layer is glass paper, and the pressure-sensitive adhesive or adhesive is highly compatible with the glass paper. Joined body.
固体高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法において、
前記固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部が露出するように一対の触媒層をそれぞれ形成する工程と、
前記触媒層に隣接して、前記固体高分子電解質膜の両面に、この固体高分子電解質膜の周縁部を覆うように一対の第1のガスケット層をそれぞれ形成する工程と、
前記触媒層の外方の両面に、この触媒層を少なくとも覆うように一対のガス拡散層をそれぞれ形成する工程と、
前記固体高分子電解質膜および前記ガス拡散層を取り囲むように一対の第2のガスケット層をそれぞれ形成する工程と、
を含み、
前記第1のガスケット層は、繊維状の材料に粘着剤または接着剤を含浸させたものからなる
ことを特徴とす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。
In the method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
Forming a pair of catalyst layers on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so that the peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane is exposed;
Forming a pair of first gasket layers on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so as to cover the periphery of the solid polymer electrolyte membrane, respectively, adjacent to the catalyst layer;
Forming a pair of gas diffusion layers on both outer surfaces of the catalyst layer so as to cover at least the catalyst layer;
Forming a pair of second gasket layers so as to surround the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer, respectively;
Including
The method for producing a membrane electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell, wherein the first gasket layer is made of a fibrous material impregnated with an adhesive or an adhesive.
JP2011054646A 2011-03-11 2011-03-11 Membrane electrode assembly in polymer electrolyte fuel cell Active JP5838570B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011054646A JP5838570B2 (en) 2011-03-11 2011-03-11 Membrane electrode assembly in polymer electrolyte fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011054646A JP5838570B2 (en) 2011-03-11 2011-03-11 Membrane electrode assembly in polymer electrolyte fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012190720A true JP2012190720A (en) 2012-10-04
JP5838570B2 JP5838570B2 (en) 2016-01-06

Family

ID=47083661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011054646A Active JP5838570B2 (en) 2011-03-11 2011-03-11 Membrane electrode assembly in polymer electrolyte fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5838570B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014122807A1 (en) * 2013-02-07 2014-08-14 FCO Power株式会社 Solid oxide fuel cell and method for producing same
JP2014235962A (en) * 2013-06-05 2014-12-15 凸版印刷株式会社 Membrane electrode structure and method for manufacturing the same
JP2017068956A (en) * 2015-09-29 2017-04-06 本田技研工業株式会社 Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure for fuel cell
JP2018142404A (en) * 2017-02-27 2018-09-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel battery cell laminate body and manufacturing method of the same

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0845517A (en) * 1994-07-28 1996-02-16 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Seal structure for high polymer electrolyte type fuel cell and its manufacture
JP2002203574A (en) * 2000-08-25 2002-07-19 Hitachi Chem Co Ltd Separator for fuel cell and fuel cell using separator for fuel cell
JP2007504614A (en) * 2003-08-29 2007-03-01 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー Integrated membrane electrode assembly and manufacturing method thereof
JP2007109576A (en) * 2005-10-14 2007-04-26 Japan Gore Tex Inc Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
JP2007516559A (en) * 2003-10-16 2007-06-21 チャン、シュン−ヒュエイ Fuel cell for use in portable devices
US20070184255A1 (en) * 2006-02-07 2007-08-09 Nan Ya Plastics Corporation Electric insulating prepreg applied to fuel cell
JP2007287487A (en) * 2006-04-17 2007-11-01 Nissan Motor Co Ltd Solid electrolyte fuel cell
JP2008004448A (en) * 2006-06-23 2008-01-10 Toyota Motor Corp Fuel cell stack
JP2008226722A (en) * 2007-03-14 2008-09-25 Toyota Motor Corp Gasket integration type membrane-electrode assembly, fuel cell including it, membrane protecting structure, and manufacturing method of gasket integration type membrane-electrode assembly
JP2009135068A (en) * 2007-11-05 2009-06-18 Dainippon Printing Co Ltd Electrolyte membrane-catalyst layer assembly with gasket, electrolyte membrane-electrode assembly with gasket using this, and solid high polymer fuel cell
JP2009199867A (en) * 2008-02-21 2009-09-03 Tokai Rubber Ind Ltd Fuel battery cell, fuel battery, and method for manufacturing fuel battery cell
JP2010080437A (en) * 2008-08-27 2010-04-08 Dainippon Printing Co Ltd Electrolyte membrane-catalyst layer laminate with reinforcing sheet and polymer electrolyte fuel cell equipped with the same

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0845517A (en) * 1994-07-28 1996-02-16 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Seal structure for high polymer electrolyte type fuel cell and its manufacture
JP2002203574A (en) * 2000-08-25 2002-07-19 Hitachi Chem Co Ltd Separator for fuel cell and fuel cell using separator for fuel cell
JP2007504614A (en) * 2003-08-29 2007-03-01 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー Integrated membrane electrode assembly and manufacturing method thereof
JP2007516559A (en) * 2003-10-16 2007-06-21 チャン、シュン−ヒュエイ Fuel cell for use in portable devices
JP2007109576A (en) * 2005-10-14 2007-04-26 Japan Gore Tex Inc Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
US20070184255A1 (en) * 2006-02-07 2007-08-09 Nan Ya Plastics Corporation Electric insulating prepreg applied to fuel cell
JP2007287487A (en) * 2006-04-17 2007-11-01 Nissan Motor Co Ltd Solid electrolyte fuel cell
JP2008004448A (en) * 2006-06-23 2008-01-10 Toyota Motor Corp Fuel cell stack
JP2008226722A (en) * 2007-03-14 2008-09-25 Toyota Motor Corp Gasket integration type membrane-electrode assembly, fuel cell including it, membrane protecting structure, and manufacturing method of gasket integration type membrane-electrode assembly
JP2009135068A (en) * 2007-11-05 2009-06-18 Dainippon Printing Co Ltd Electrolyte membrane-catalyst layer assembly with gasket, electrolyte membrane-electrode assembly with gasket using this, and solid high polymer fuel cell
JP2009199867A (en) * 2008-02-21 2009-09-03 Tokai Rubber Ind Ltd Fuel battery cell, fuel battery, and method for manufacturing fuel battery cell
JP2010080437A (en) * 2008-08-27 2010-04-08 Dainippon Printing Co Ltd Electrolyte membrane-catalyst layer laminate with reinforcing sheet and polymer electrolyte fuel cell equipped with the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014122807A1 (en) * 2013-02-07 2014-08-14 FCO Power株式会社 Solid oxide fuel cell and method for producing same
JPWO2014122807A1 (en) * 2013-02-07 2017-01-26 FCO Power株式会社 Solid oxide fuel cell and method for producing the same
JP2014235962A (en) * 2013-06-05 2014-12-15 凸版印刷株式会社 Membrane electrode structure and method for manufacturing the same
JP2017068956A (en) * 2015-09-29 2017-04-06 本田技研工業株式会社 Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure for fuel cell
JP2018142404A (en) * 2017-02-27 2018-09-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel battery cell laminate body and manufacturing method of the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP5838570B2 (en) 2016-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8026018B2 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly and production method thereof
US7476459B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
JP2004134392A (en) Ionomer film with protection layer coated by catalyst, and film assembly made of the same
JP2000100457A (en) Fuel cell
JP5594021B2 (en) Membrane electrode assembly and manufacturing method thereof
JP5838570B2 (en) Membrane electrode assembly in polymer electrolyte fuel cell
JP2008135295A (en) Gas diffusion layer element for solid polymer fuel cell, solid polymer fuel cell, and its manufacturing method
JP5286887B2 (en) Membrane / electrode assembly with reinforcing sheet for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same
JP4566995B2 (en) Apparatus comprising a membrane electrode assembly and method for preparing the apparatus
JP5707825B2 (en) Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same
JP5849418B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly
JP2010192392A (en) Porous membrane complex for fuel cell, electrolyte membrane-electrode-porous membrane complex for fuel cell, and manufacturing method of them
JP5870643B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP2010003470A (en) Fuel cell
JP5245440B2 (en) Manufacturing method of membrane-electrode assembly for fuel cell
JP6255720B2 (en) Membrane electrode structure and manufacturing method thereof
JP6368995B2 (en) Membrane electrode assembly and membrane electrode assembly laminate
JP5645982B2 (en) Gas diffusion layer element for polymer electrolyte fuel cell, polymer electrolyte fuel cell and production method thereof
JP2009129650A (en) Fuel cell
JP2009238495A (en) Fuel cell and membrane-electrode-gas diffusion layer assembly used this
JP6144651B2 (en) Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure for fuel cell
JP2004214001A (en) Jointing method and jointing device for electrode and solid polyelectrolyte membrane
JP6048015B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly
JP6115238B2 (en) Membrane electrode structure and manufacturing method thereof
WO2013080421A1 (en) Direct oxidation fuel cell and method for producing membrane catalyst layer assembly used in same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140219

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141031

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141031

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141226

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150408

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150529

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150714

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150901

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151013

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151026

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5838570

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250