JP2013033650A - Membrane electrode assembly for solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれアノード電極及びカソード電極が設けられ、前記カソード電極の外周端部は、前記アノード電極の外周端部よりも外側に突出するとともに、前記電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材が設けられる固体電解質型燃料電池用電解質膜・電極構造体に関する。 According to the present invention, an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane, and an outer peripheral end portion of the cathode electrode protrudes outward from an outer peripheral end portion of the anode electrode, and circulates around the outer periphery of the electrolyte membrane. The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure for a solid oxide fuel cell provided with a resin frame member.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(ガス拡散層)からなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode each made of an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. ) Is constituted by a separator (bipolar plate). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.
この種の電解質膜・電極構造体では、一方の電極が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、他方の電極が前記固体高分子電解質膜と同一の表面積に設定される、所謂、段差型MEAを構成する場合がある。その際、外部に露呈する電解質膜を保護するとともに、MEAの取り扱い作業性及びシール性を向上させるため、電解質膜・電極構造体の外周に枠部材(樹脂枠部材)を設ける工夫がなされている。 In this type of electrolyte membrane / electrode structure, one electrode is set to have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane, and the other electrode is set to the same surface area as the solid polymer electrolyte membrane. In some cases, a stepped MEA is formed. At that time, in order to protect the electrolyte membrane exposed to the outside and improve the handling workability and sealing performance of the MEA, a device has been devised to provide a frame member (resin frame member) on the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure. .
例えば、特許文献1に開示されている膜電極組立体(電解質膜・電極構造体)は、図5に示すように、高分子電解質膜1、前記高分子電解質膜1の一方の面側に設けられる第1の電極層2、前記第1の電極層2の該高分子電解質膜1とは反対側に設けられる第1のガス拡散層3、該高分子電解質膜1の他方の面側に設けられる第2の電極層4、及び前記第2の電極層4の該高分子電解質膜1とは反対側に設けられる第2のガス拡散層5を含む膜電極接合体6を備えている。
For example, the membrane electrode assembly (electrolyte membrane / electrode structure) disclosed in Patent Document 1 is provided on one surface side of the polymer electrolyte membrane 1 and the polymer electrolyte membrane 1 as shown in FIG. The
膜電極接合体6には、高分子電解質膜1の外周縁の全部並びに第1及び第2のガス拡散層3、5の外周縁の少なくとも一部であって前記高分子電解質膜1の側を包囲するように、樹脂枠7が設けられている。
The
第1のガス拡散層3及び第1の電極層2は、前記第1のガス拡散層3の外周縁全体が高分子電解質膜1の外周縁の範囲内に収まるとともに、前記第1の電極層2の外周縁全周に亘って該第1の電極層2の外周縁と該高分子電解質膜1の外周縁との間に該高分子電解質膜1の表面領域が残るように、該高分子電解質膜1の表面上に配置されている。
The first
第2のガス拡散層5は、高分子電解質膜1の外周縁全周に亘って該表面領域とは反対側の少なくとも一部にまで延在しており、さらに樹脂枠7は、該表面領域の少なくとも一部に固着されている。
The second
また、特許文献2に開示されている電解質膜−電極接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、両触媒層の端部の周囲の少なくとも一部に配置されるガスケット層が一体化されてなるガスケット構造体とを有している。そして、電解質膜の両面にガス拡散層を備え、前記電解質膜の両面に備えられた両ガス拡散層は面積が異なり、少なくともガス拡散層の面積が小さい側の前記電解質膜の外周部とガスケット構造体とが接合されている。
Further, an electrolyte membrane-electrode assembly disclosed in
上記の特許文献1及び特許文献2では、一方の電極が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるため、前記固体高分子電解質膜の外周縁部が露呈している。従って、燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガスがアノード側からカソード側に固体高分子電解質膜を透過する一方、酸化剤ガスが前記カソード側から前記アノード側に前記固体高分子電解質膜を透過する場合がある。
In Patent Document 1 and
このため、アノード側及びカソード側では、水素と酸素とが反応して過酸化水素(H2O2)が発生し易い(H2+O2→H2O2)。この過酸化水素は、電極中のカーボン担体や白金(Pt)上で分解し、例えば、ヒドロキシラジカル(・OH)が発生する。これにより、固体高分子電解質膜及び電極を劣化させるという問題がある。 For this reason, hydrogen and oxygen react with each other on the anode side and the cathode side to easily generate hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (H 2 + O 2 → H 2 O 2 ). This hydrogen peroxide is decomposed on the carbon support or platinum (Pt) in the electrode, and for example, a hydroxy radical (.OH) is generated. Thereby, there exists a problem of degrading a solid polymer electrolyte membrane and an electrode.
過酸化水素は、図6に示すように、特に0.2V以下の低電位領域で急増している。従って、アノード側の触媒塗布面積が大きいと、カソード側で低電位領域が拡大してしまい、MEA端部に燃料ガス及び酸化剤ガスが滞留し易い場合には、膜劣化が著しいという問題がある。 As shown in FIG. 6, hydrogen peroxide has increased rapidly particularly in a low potential region of 0.2 V or less. Therefore, when the catalyst application area on the anode side is large, the low potential region is enlarged on the cathode side, and when the fuel gas and the oxidant gas tend to stay at the end of the MEA, there is a problem that the film deterioration is significant. .
本発明は、この種の問題を解決するものであり、過酸化水素が発生する領域を電極端部から離間させることができ、簡単な構成で、電解質膜等の劣化を有効に抑制することが可能な固体電解質型燃料電池用電解質膜・電極構造体を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and the region where hydrogen peroxide is generated can be separated from the end of the electrode, and deterioration of the electrolyte membrane and the like can be effectively suppressed with a simple configuration. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane / electrode structure for a solid oxide fuel cell.
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれアノード電極及びカソード電極が設けられ、前記カソード電極の外周端部は、前記アノード電極の外周端部よりも外側に突出するとともに、前記電解質膜の外周を周回して樹脂製枠部材が設けられる固体電解質型燃料電池用電解質膜・電極構造体に関するものである。 According to the present invention, an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane, and an outer peripheral end portion of the cathode electrode protrudes outward from an outer peripheral end portion of the anode electrode, and circulates around the outer periphery of the electrolyte membrane. The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure for a solid oxide fuel cell provided with a resin frame member.
この固体電解質型燃料電池用電解質膜・電極構造体では、電解質膜の外周端部は、カソード電極の外周端部よりも外側に突出するとともに、アノード電極側に湾曲形成されている。 In this electrolyte membrane / electrode structure for a solid oxide fuel cell, the outer peripheral end of the electrolyte membrane protrudes outward from the outer peripheral end of the cathode electrode, and is curved toward the anode electrode.
本発明によれば、アノード電極の電極面積が、カソード電極の電極面積よりも小さく設定されることにより、カソード側の低電位領域を縮小させることができ、発生する過酸化水素量を削減することが可能になる。 According to the present invention, by setting the electrode area of the anode electrode to be smaller than the electrode area of the cathode electrode, the low potential region on the cathode side can be reduced, and the amount of generated hydrogen peroxide can be reduced. Is possible.
しかも、電解質膜の外周端部は、アノード電極側に湾曲形成されている。従って、過酸化水素が発生する領域を、カソード電極の端部から離間させることができ、簡単な構成で、前記カソード電極及び電解質膜等の劣化を良好に抑制することが可能になる。 Moreover, the outer peripheral end of the electrolyte membrane is curved toward the anode electrode side. Therefore, the region where hydrogen peroxide is generated can be separated from the end portion of the cathode electrode, and deterioration of the cathode electrode and the electrolyte membrane can be satisfactorily suppressed with a simple configuration.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る電解質膜・電極構造体10が組み込まれる固体高分子型燃料電池12は、前記電解質膜・電極構造体10を第1セパレータ14及び第2セパレータ16で挟持する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the polymer
図2に示すように、電解質膜・電極構造体10は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するアノード電極20及びカソード電極22とを備える。固体高分子電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用される。
As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane /
カソード電極22の外周端部は、アノード電極20の外周端部よりも外側に突出するとともに、前記アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに配置される。アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の外周を額縁状に露呈させる。カソード電極22は、固体高分子電解質膜18の他方の面18bに配置され、前記固体高分子電解質膜18の外周端部18cは、前記カソード電極22の外周端部よりも外方に突出する。
The outer peripheral end of the
アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の面18aに接合される電極触媒層20aと、前記電極触媒層20aに中間層(下地層)20bを介して積層されるガス拡散層20cとを設ける。電極触媒層20aと中間層20bとは、ガス拡散層20cの端部まで伸びている。カソード電極22は、固体高分子電解質膜18の面18bに接合される電極触媒層22aと、前記電極触媒層22aに中間層(下地層)22bを介して積層されるガス拡散層22cとを設ける。電極触媒層22aと中間層22bとは、ガス拡散層22cの端部まで伸びている。なお、中間層20b、22bは、設けなくてもよい。
The
電極触媒層20a、22aは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜18の両面に印刷、塗布又は転写することによって構成される。アノード側の電極触媒層20aとカソード側の電極触媒層22aとの大小関係を維持した状態で、最端部に接着層を設けてもよい。
The
中間層20b、22bは、カーボンブラック及びFEP(四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体)粒子とカーボンナノチューブをペースト状にした後、ガス拡散層20c、22cに塗布される。ガス拡散層20c、22cは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層20cの平面は、前記ガス拡散層22cの平面よりも小さく設定される。
The
電解質膜・電極構造体10は、固体高分子電解質膜18の外周を周回する樹脂製枠部材24を備える。樹脂製枠部材24は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やPPA(ポリフタルアミド)等で構成される他、弾性を有するゴム部材で構成されてもよい。固体高分子電解質膜18の外周端部18cは、アノード電極20側に湾曲形成されて樹脂製枠部材24内に埋設される。
The electrolyte membrane /
図1に示すように、燃料電池12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, one end edge of the
燃料電池12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
第2セパレータ16の電解質膜・電極構造体10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。
An oxidant
第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通する燃料ガス流路38が形成される。第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路40が形成される。
A fuel
図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材42が一体化されるとともに、第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材44が一体化される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、第1シール部材42は、電解質膜・電極構造体10の樹脂製枠部材24に当接する第1凸状シール42aと、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間に介装される第2凸状シール42bとを有する。第2シール部材44は、平面シールを構成する。なお、第2凸状シール42bに代えて、第2シール部材44に凸状シール(図示せず)を設けてもよい。
As shown in FIG. 2, the
第1及び第2シール部材42、44には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
The first and
図1に示すように、第1セパレータ14には、燃料ガス入口連通孔34aを燃料ガス流路38に連通する供給孔部46と、前記燃料ガス流路38を燃料ガス出口連通孔34bに連通する排出孔部48とが形成される。
As shown in FIG. 1, the
このように構成される燃料電池12において、本発明の実施形態に係る電解質膜・電極構造体10の製造方法について、以下に説明する。
In the
先ず、図3に示すように、段差MEA50が作製された後、前記段差MEA50が射出成形機52に配置される。段差MEA50は、具体的には、固体高分子電解質膜18の両方の面18a、18bには、電極触媒層20a、22aが塗布される一方、ガス拡散層20c、22cには、撥水剤とカーボン粒子の混合物からなる中間層20b、22bが塗布される。
First, as shown in FIG. 3, after the
そして、固体高分子電解質膜18の面18a側に、すなわち、電極触媒層20aに、中間層20bを対向させてガス拡散層20cが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜18の面18bに、すなわち、電極触媒層22aに、中間層22bを対向させてガス拡散層22cが配置される。これらが一体に積層されてホットプレス処理されることにより、段差MEA50が作製される。固体高分子電解質膜18の外周端部18cは、平坦状に延在している。なお、この外周端部18cは、予めアノード電極20側に、該アノード電極20の最端部を起点にして湾曲成形してもよい。
A
射出成形機52は、第1型部材54と第2型部材56とを備えるとともに、これらの間には、キャビティ58が形成される。キャビティ58は、樹脂製枠部材24の形状に対応している。第2型部材56には、固体高分子電解質膜18の外周端部18cに向かって開口する射出口60が形成される。
The
段差MEA50がキャビティ58に配置されるとともに、第1型部材54と第2型部材56とが型締めされた状態で、前記第2型部材56の射出口60から前記キャビティ58に溶融樹脂が射出される。このため、溶融樹脂は、固体高分子電解質膜18の外周端部18cをアノード電極20側に湾曲させるようにして、キャビティ58に充填される。従って、溶融樹脂が固化することにより、樹脂製枠部材24が段差MEA50に一体成形される。
While the
その際、固体高分子電解質膜18の外周端部18cは、アノード電極20側に湾曲した形状に保持される。これにより、本実施形態に係る電解質膜・電極構造体10が製造される(図2参照)。
At that time, the outer
このように構成される燃料電池12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体10のカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから供給孔部46を通って第1セパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体10のアノード電極20に供給される。
For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体10では、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部48を通り燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体10を冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、本実施形態では、アノード電極20の電極面積が、カソード電極22の電極面積よりも小さく設定されている。このため、図2に示すように、アノード電極端は、カソード電極端よりも小さく形成され、ヒドロキシラジカル(・OH)の前駆体であるH2O2が存在し易い電位(低電位領域)を縮小させることができる。
In this case, in this embodiment, the electrode area of the
しかも、固体高分子電解質膜18の外周端部18cは、アノード電極20側に湾曲形成されている。従って、図4に示すように、電位が0.2V以下になる領域(H2O2が急増する領域)Sは、カソード電極22の外周端部から距離lだけ外方に離間している。これにより、簡単な構成で、カソード電極22及び固体高分子電解質膜18等の劣化を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。このため、燃料電池12の長寿命化が容易に図られる。
In addition, the outer
10…電解質膜・電極構造体 12…燃料電池
14、16…セパレータ 18…固体高分子電解質膜
18c…外周端部 20…アノード電極
22…カソード電極 24…樹脂製枠部材
30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔
32a…冷却媒体入口連通孔 32b…冷却媒体出口連通孔
34a…燃料ガス入口連通孔 34b…燃料ガス出口連通孔
36…酸化剤ガス流路 38…燃料ガス流路
40…冷却媒体流路 42、44…シール部材
50…段差MEA 52…射出成形機
54、56…型部材 58…キャビティ
60…射出口
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記電解質膜の外周端部は、前記カソード電極の外周端部よりも外側に突出するとともに、
前記アノード電極側に湾曲形成されることを特徴とする固体電解質型燃料電池用電解質膜・電極構造体。 An anode electrode and a cathode electrode are respectively provided on both sides of the electrolyte membrane, and the outer peripheral end portion of the cathode electrode protrudes outward from the outer peripheral end portion of the anode electrode, and circulates around the outer periphery of the electrolyte membrane. An electrolyte membrane / electrode structure for a solid oxide fuel cell provided with a frame member,
The outer peripheral end of the electrolyte membrane protrudes outside the outer peripheral end of the cathode electrode,
An electrolyte membrane / electrode structure for a solid oxide fuel cell, wherein the electrolyte membrane / electrode structure is curved on the anode electrode side.
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