JP2014192095A - Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly capable of enhancing durability, and a solid polymer fuel cell.SOLUTION: A membrane electrode assembly 10A includes an electrolyte layer 11, a fuel electrode catalyst layer 12 in contact with the electrolyte layer 11, and an air electrode catalyst layer 13 in contact with the electrolyte layer 11. The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are arranged on the same side with respect to the electrolyte layer 11 in the thickness direction of the electrolyte layer 11. The electrolyte layer 11 has a flat surface 11a, and the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are arranged on the flat surface 11a.

Description

本開示の技術は、膜電極接合体、および、膜電極接合体を備える固体高分子形燃料電池に関する。   The technology of the present disclosure relates to a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.

近年、原料ガスの反応エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する燃料電池が注目されている。燃料電池の一種である固体高分子形燃料電池は、電解質として高分子電解質膜を用いる。図16は、固体高分子形燃料電池の構造の一例を示す断面図である。   In recent years, fuel cells that directly convert the reaction energy of a raw material gas into electric energy have attracted attention. A polymer electrolyte fuel cell, which is a type of fuel cell, uses a polymer electrolyte membrane as an electrolyte. FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a polymer electrolyte fuel cell.

図16に示されるように、高分子電解質膜110は、燃料極を構成する触媒層120Aと空気極を構成する触媒層120Cとに挟まれている。そして、高分子電解質膜110と、2つの触媒層120A,120Cとから構成される膜電極接合体100は、一対のセパレータ130A,130Cによって挟持されている。高分子電解質膜110とセパレータ130A,130Cとの間にて、触媒層120A,120Cの周囲には、触媒層120A,120Cに供給されるガスの漏れを抑えるガスケット140A,140Cが配置されている。燃料極側の触媒層120Aには、セパレータ130Aに形成されたガス流路から、水素を含む燃料ガスが供給される。空気極側の触媒層120Cには、セパレータ130Cに形成されたガス流路から、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。そして、触媒の存在下で燃料ガスと酸化剤ガスとが電極反応を進めることによって、燃料極と空気極との間に起電力が生じる。   As shown in FIG. 16, the polymer electrolyte membrane 110 is sandwiched between a catalyst layer 120A constituting the fuel electrode and a catalyst layer 120C constituting the air electrode. The membrane electrode assembly 100 composed of the polymer electrolyte membrane 110 and the two catalyst layers 120A and 120C is sandwiched between a pair of separators 130A and 130C. Between the polymer electrolyte membrane 110 and the separators 130A and 130C, gaskets 140A and 140C that suppress leakage of gas supplied to the catalyst layers 120A and 120C are disposed around the catalyst layers 120A and 120C. Fuel gas containing hydrogen is supplied to the catalyst layer 120A on the fuel electrode side from a gas flow path formed in the separator 130A. An oxidant gas containing oxygen is supplied to the catalyst layer 120C on the air electrode side from a gas flow path formed in the separator 130C. And an electromotive force arises between a fuel electrode and an air electrode when fuel gas and oxidant gas advance electrode reaction in presence of a catalyst.

上記構成では、高分子電解質膜110の表面と裏面との各々の面上にて、触媒層120A,120Cの周囲にガスケット140A,140Cが配置される。したがって、触媒層120A,120Cの縁部、および、触媒層120A,120Cの縁部と接するガスケット140A,140Cの縁部は、高分子電解質膜110の面上に配置される。ここで、セパレータ130A,130Cは、膜電極接合体100を挟持するために、膜電極接合体100の厚さ方向の両側から膜電極接合体100を締め付けている。そのため、触媒層120A,120Cの縁部やガスケット140A,140Cの縁部と高分子電解質膜110とが接する部分に、高分子電解質膜110がセパレータ130A,130Cから受ける力が集中する。結果として、高分子電解質膜110にかかる圧力が局所的に集中するため、高分子電解質膜110の潰れや破膜が生じやすくなり、膜電極接合体100の耐久性が低下する。   In the above configuration, the gaskets 140A and 140C are disposed around the catalyst layers 120A and 120C on the front and back surfaces of the polymer electrolyte membrane 110, respectively. Therefore, the edges of the catalyst layers 120A and 120C and the edges of the gaskets 140A and 140C in contact with the edges of the catalyst layers 120A and 120C are arranged on the surface of the polymer electrolyte membrane 110. Here, the separators 130 </ b> A and 130 </ b> C fasten the membrane electrode assembly 100 from both sides in the thickness direction of the membrane electrode assembly 100 in order to sandwich the membrane electrode assembly 100. Therefore, the force that the polymer electrolyte membrane 110 receives from the separators 130A and 130C concentrates on the edges of the catalyst layers 120A and 120C and the edges of the gaskets 140A and 140C and the portions where the polymer electrolyte membrane 110 contacts. As a result, since the pressure applied to the polymer electrolyte membrane 110 is locally concentrated, the polymer electrolyte membrane 110 is liable to be crushed or broken, and the durability of the membrane electrode assembly 100 is lowered.

上記構成に対し、燃料極側の触媒層と空気極側の触媒層とが互いに異なる大きさに形成された膜電極接合体が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。こうした構成によれば、高分子電解質膜の表面にて触媒層の縁部が高分子電解質膜に接する位置と、高分子電解質膜の裏面にて触媒層の縁部が高分子電解質膜に接する位置とが、高分子電解質膜を挟んで対向しない。したがって、高分子電解質膜にかかる圧力が集中する位置が高分子電解質膜の表裏で異なるため、圧力の集中が緩和される。   In contrast to the above configuration, there has been proposed a membrane electrode assembly in which a fuel electrode side catalyst layer and an air electrode side catalyst layer are formed in different sizes (see, for example, Patent Documents 1 and 2). According to such a configuration, the position where the edge of the catalyst layer contacts the polymer electrolyte membrane on the surface of the polymer electrolyte membrane, and the position where the edge of the catalyst layer contacts the polymer electrolyte membrane on the back surface of the polymer electrolyte membrane. However, they do not face each other across the polymer electrolyte membrane. Therefore, since the position where the pressure applied to the polymer electrolyte membrane is concentrated differs between the front and back of the polymer electrolyte membrane, the concentration of pressure is alleviated.

特開2006−338938号公報JP 2006-338938 A 特開2007−242609号公報JP 2007-242609 A

ところで、近年、固体高分子形燃料電池の低加湿条件での発電性能を高めるために、高分子電解質膜の薄膜化が進んでいる。その結果、高分子電解質膜の機械的強度が低くなる傾向にある。したがって、セパレータから高分子電解質膜にかかる圧力に起因した高分子電解質膜の潰れや破膜も起こりやすくなるため、膜電極接合体の耐久性のさらなる向上が求められている。   By the way, in recent years, in order to improve the power generation performance of the solid polymer fuel cell under low humidification conditions, the polymer electrolyte membrane has been made thinner. As a result, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane tends to be low. Therefore, since the polymer electrolyte membrane is easily crushed or broken due to the pressure applied to the polymer electrolyte membrane from the separator, further improvement in the durability of the membrane electrode assembly is required.

本開示の技術は、耐久性を高めることが可能な膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the technology of the present disclosure is to provide a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell capable of enhancing durability.

本開示の技術における膜電極接合体の一態様は、電解質層と、前記電解質層と接触する燃料極触媒層と、前記電解質層と接触する空気極触媒層と、を備え、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とが、前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して同じ側に配置されている。   One aspect of the membrane electrode assembly in the technology of the present disclosure includes an electrolyte layer, a fuel electrode catalyst layer in contact with the electrolyte layer, and an air electrode catalyst layer in contact with the electrolyte layer, and the fuel electrode catalyst layer And the air electrode catalyst layer are disposed on the same side of the electrolyte layer in the thickness direction of the electrolyte layer.

上記構成によれば、二種類の触媒層が、電解質層の厚さ方向にて電解質層に対して同じ側で電解質層に接触する。したがって、固体高分子形燃料電池にて電解質層がセパレータから圧力を受ける場合に、圧力が集中する位置が電解質層の厚さ方向にて電解質層の一方側のみに形成される。その結果、圧力が集中する位置が電解質層の厚さ方向にて電解質層の両側に形成される場合と比較して、電解質層の潰れや破膜が抑えられる。したがって、膜電極接合体の耐久性が高められる。   According to the said structure, two types of catalyst layers contact an electrolyte layer on the same side with respect to an electrolyte layer in the thickness direction of an electrolyte layer. Therefore, when the electrolyte layer receives pressure from the separator in the polymer electrolyte fuel cell, a position where the pressure is concentrated is formed only on one side of the electrolyte layer in the thickness direction of the electrolyte layer. As a result, compared to the case where the pressure concentration positions are formed on both sides of the electrolyte layer in the thickness direction of the electrolyte layer, the electrolyte layer is prevented from being crushed or broken. Therefore, the durability of the membrane electrode assembly is enhanced.

本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記電解質層は、平坦面を備え、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とが、前記平坦面に配置されている。
上記構成によれば、二種類の触媒層が、電解質層が備える同一の平坦面に配置される。したがって、簡易な構成で膜電極接合体の耐久性が高められる。
In another aspect of the membrane electrode assembly in the technology of the present disclosure, the electrolyte layer includes a flat surface, and the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer are disposed on the flat surface.
According to the said structure, two types of catalyst layers are arrange | positioned on the same flat surface with which an electrolyte layer is provided. Therefore, the durability of the membrane electrode assembly can be enhanced with a simple configuration.

本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記電解質層は、段差面を備え、前記段差面が有する凸部が、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層との間に配置されている。   In another aspect of the membrane electrode assembly according to the technology of the present disclosure, the electrolyte layer includes a step surface, and the convex portion of the step surface is disposed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer. Has been.

上記構成によれば、二種類の触媒層が、電解質層が備える段差面にて凸部を挟んで配置される。したがって、燃料極触媒層と空気極触媒層との間でガスが混ざることが抑えられる。   According to the said structure, two types of catalyst layers are arrange | positioned on both sides of a convex part in the level | step difference surface with which an electrolyte layer is provided. Accordingly, mixing of gas between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer can be suppressed.

本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記電解質層を支持する基材をさらに備え、前記基材は、前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層と反対側に配置されている。   Another aspect of the membrane electrode assembly in the technology of the present disclosure further includes a base material that supports the electrolyte layer, and the base material is the fuel in the thickness direction of the electrolyte layer with respect to the electrolyte layer. It arrange | positions on the opposite side to the electrode catalyst layer and the said air electrode catalyst layer.

上記構成によれば、電解質層は、電解質層の厚さ方向にて二種類の触媒層とは反対側から基材に支持される。したがって、電解質層に皺や折れが生じることが抑えられる。その結果、膜電極接合体の信頼性が高められる。   According to the said structure, an electrolyte layer is supported by the base material from the opposite side to two types of catalyst layers in the thickness direction of an electrolyte layer. Therefore, wrinkles and folds are prevented from occurring in the electrolyte layer. As a result, the reliability of the membrane electrode assembly is improved.

本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とを支持する基材をさらに備え、前記基材は、前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層と同じ側に配置されている。   Another aspect of the membrane electrode assembly in the technology of the present disclosure further includes a base material that supports the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer, and the base material is in a thickness direction of the electrolyte layer. The fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer are disposed on the same side of the electrolyte layer.

上記構成によれば、燃料極触媒層と空気極触媒層とは、電解質層の厚さ方向にて電解質層に対して当該触媒層と同じ側から基材に支持される。そのため、電解質層は、燃料極触媒層と空気極触媒層とを介して基材に支持される。したがって、電解質層に皺や折れが生じることが抑えられる。その結果、膜電極接合体の信頼性が高められる。   According to the above configuration, the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer are supported on the base material from the same side as the catalyst layer with respect to the electrolyte layer in the thickness direction of the electrolyte layer. Therefore, the electrolyte layer is supported by the base material via the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer. Therefore, wrinkles and folds are prevented from occurring in the electrolyte layer. As a result, the reliability of the membrane electrode assembly is improved.

本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、ガスの流通を抑制するガスシール部をさらに備え、前記ガスシール部は、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層との間に配置されている。   Another aspect of the membrane electrode assembly in the technology of the present disclosure further includes a gas seal portion that suppresses the flow of gas, and the gas seal portion is disposed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer. Has been.

上記構成によれば、燃料極触媒層と空気極触媒層との間にガスシール部が配置されるため、二種類の触媒層の各々に供給されるガスが混ざることが抑えられる。
本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層との間に、ガスが流通するガス流路が形成されている。
According to the above configuration, since the gas seal portion is disposed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer, it is possible to suppress the gas supplied to each of the two types of catalyst layers from being mixed.
In another aspect of the membrane electrode assembly in the technology of the present disclosure, a gas flow path through which a gas flows is formed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer.

上記構成によれば、燃料極触媒層と空気極触媒層との間にガス流路が形成されているため、二種類の触媒層の各々に供給されるガスの拡散性が高められる。また、発電によって生成される水の排水性が高められる。   According to the above configuration, since the gas flow path is formed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer, the diffusibility of the gas supplied to each of the two types of catalyst layers is enhanced. Moreover, the drainage property of the water produced | generated by electric power generation is improved.

本開示の技術における固体高分子形燃料電池の一態様は、上記膜電極接合体を備える。
上記構成によれば、耐久性が高められた膜電極接合体が備えられることによって、固体高分子形燃料電池の耐久性が高められ、長期の運転が可能となる。
One aspect of the polymer electrolyte fuel cell according to the technology of the present disclosure includes the membrane electrode assembly.
According to the above configuration, by providing the membrane electrode assembly with improved durability, the durability of the polymer electrolyte fuel cell is improved, and long-term operation is possible.

本開示の技術によれば、膜電極接合体の耐久性を高めることができる。     According to the technique of the present disclosure, the durability of the membrane electrode assembly can be enhanced.

本開示の技術における第1の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the membrane electrode assembly of 1st Embodiment in the technique of this indication. 第1の実施形態の膜電極接合体の平面構造を示す平面図。The top view which shows the planar structure of the membrane electrode assembly of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the polymer electrolyte fuel cell of 1st Embodiment. 第1の実施形態の固体高分子形燃料電池の平面構造を示す平面図。The top view which shows the planar structure of the polymer electrolyte fuel cell of 1st Embodiment. 本開示の技術における第2の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the membrane electrode assembly of 2nd Embodiment in the technique of this indication. 第2の実施形態の固体高分子形燃料電池であって、燃料極触媒層および空気極触媒層を支持する基材を備えない膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。A cross-sectional structure of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment, which is a polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly that does not include a base material that supports a fuel electrode catalyst layer and an air electrode catalyst layer. FIG. 第2の実施形態の固体高分子形燃料電池であって、燃料極触媒層および空気極触媒層を支持する基材を備える膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。2 shows a cross-sectional structure of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment, which is a polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly including a base material that supports a fuel electrode catalyst layer and an air electrode catalyst layer. Sectional drawing. 本開示の技術における第3の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the membrane electrode assembly of 3rd Embodiment in the technique of this indication. 第3の実施形態の固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the polymer electrolyte fuel cell of 3rd Embodiment. 本開示の技術における第4の実施形態の膜電極接合体の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the membrane electrode assembly of 4th Embodiment in the technique of this indication. 第4の実施形態の固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the polymer electrolyte fuel cell of 4th Embodiment. 変形例の膜電極接合体の平面構造を示す平面図。The top view which shows the planar structure of the membrane electrode assembly of a modification. 変形例の膜電極接合体の平面構造を示す平面図。The top view which shows the planar structure of the membrane electrode assembly of a modification. 変形例の膜電極接合体を第4の実施形態に適用した膜電極接合体の平面構造を示す平面図。The top view which shows the planar structure of the membrane electrode assembly which applied the membrane electrode assembly of the modification to 4th Embodiment. 変形例の膜電極接合体を第4の実施形態に適用した固体高分子形燃料電池の平面構造を示す平面図。The top view which shows the planar structure of the polymer electrolyte fuel cell which applied the membrane electrode assembly of the modification to 4th Embodiment. 従来の固体高分子形燃料電池の断面構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-section of the conventional polymer electrolyte fuel cell.

(第1の実施形態)
図1〜図4を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
With reference to FIGS. 1-4, 1st Embodiment of a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell is described.

まず、図1および図2を参照して膜電極接合体の構成について説明する。
図1に示されるように、膜電極接合体10Aは、電解質層としての高分子電解質膜11と、高分子電解質膜11に積層された燃料極触媒層12および空気極触媒層13と、高分子電解質膜11を支持する基材14とを備えている。
First, the configuration of the membrane electrode assembly will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly 10A includes a polymer electrolyte membrane 11 as an electrolyte layer, a fuel electrode catalyst layer 12 and an air electrode catalyst layer 13 laminated on the polymer electrolyte membrane 11, and a polymer. And a base material 14 that supports the electrolyte membrane 11.

高分子電解質膜11は、高分子電解質膜11の表面および裏面として、2つの平坦面11a,11bを備えている。一方の平坦面11aにて、燃料極触媒層12および空気極触媒層13と高分子電解質膜11とが接している。他方の平坦面11bにて、基材14と高分子電解質膜11とが接している。すなわち、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、高分子電解質膜11の厚さ方向にて、高分子電解質膜11に対して同じ側に配置されている。そして、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、同一の平坦面11aにて、高分子電解質膜11と接している。基材14は、高分子電解質膜11の厚さ方向にて、高分子電解質膜11に対して燃料極触媒層12および空気極触媒層13と反対側に配置されている。   The polymer electrolyte membrane 11 includes two flat surfaces 11 a and 11 b as the front and back surfaces of the polymer electrolyte membrane 11. The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are in contact with the polymer electrolyte membrane 11 on one flat surface 11a. The substrate 14 and the polymer electrolyte membrane 11 are in contact with each other on the other flat surface 11b. That is, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are disposed on the same side of the polymer electrolyte membrane 11 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are in contact with the polymer electrolyte membrane 11 on the same flat surface 11a. The base material 14 is disposed on the opposite side of the polymer electrolyte membrane 11 from the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11.

図2に示されるように、高分子電解質膜11の平面形状は、基材14の平面形状よりも小さく形成されている。高分子電解質膜11の縁部の外側には、基材14の上面が露出している。   As shown in FIG. 2, the planar shape of the polymer electrolyte membrane 11 is smaller than the planar shape of the substrate 14. The upper surface of the base material 14 is exposed outside the edge of the polymer electrolyte membrane 11.

平坦面11a上には、1つの燃料極触媒層12と1つの空気極触媒層13とが配置されている。燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間には、隙間が設けられている。燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間の隙間には、高分子電解質膜11の平坦面11aが露出している。空気極触媒層13の縁部と対向しない燃料極触媒層12の縁部は、高分子電解質膜11の縁部と重なっている。また、燃料極触媒層12の縁部と対向しない空気極触媒層13の縁部は、高分子電解質膜11の縁部と重なっている。   One fuel electrode catalyst layer 12 and one air electrode catalyst layer 13 are arranged on the flat surface 11a. A gap is provided between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. A flat surface 11 a of the polymer electrolyte membrane 11 is exposed in the gap between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. The edge of the fuel electrode catalyst layer 12 that does not face the edge of the air electrode catalyst layer 13 overlaps the edge of the polymer electrolyte membrane 11. The edge of the air electrode catalyst layer 13 that does not face the edge of the fuel electrode catalyst layer 12 overlaps the edge of the polymer electrolyte membrane 11.

膜電極接合体10Aの製造方法について説明する。
まず、基材14の上に高分子電解質膜11が成膜される。成膜方法としては、塗布形成等、公知の成膜方法が用いられる。
A method for producing the membrane electrode assembly 10A will be described.
First, the polymer electrolyte membrane 11 is formed on the base material 14. As the film formation method, a known film formation method such as coating formation is used.

基材14の材料には、電解質との密着性に優れるとともに、電解質に腐食しない材料が用いられる。基材14の材料の例として、金、または、ステンレス等の金属板や、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、ポリイミド等の樹脂フィルムが挙げられる。   As the material of the base material 14, a material that has excellent adhesion to the electrolyte and does not corrode the electrolyte is used. Examples of the material of the substrate 14 include a metal plate such as gold or stainless steel, a resin film such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polyamide, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polypropylene, polyethylene, or polyimide. Is mentioned.

高分子電解質膜11は、イオン伝導性を有する膜であればよい。高分子電解質膜11の材料の例として、Nafion(デュポン社製、登録商標)等のフッ素系樹脂や、エンジニアリングプラスチック、または、エンジニアリングプラスチックの共重合体にスルホン酸基を導入した樹脂等の炭化水素系樹脂等が挙げられる。   The polymer electrolyte membrane 11 may be any membrane having ion conductivity. Examples of the material of the polymer electrolyte membrane 11 include hydrocarbon resins such as fluorine resins such as Nafion (manufactured by DuPont, registered trademark), engineering plastics, or resins obtained by introducing sulfonic acid groups into engineering plastic copolymers. Based resins and the like.

次に、高分子電解質膜11の上に燃料極触媒層12と空気極触媒層13とが成膜される。成膜方法としては、触媒層12,13と高分子電解質膜11の密着性が良好であれば、公知の成膜方法を用いることができる。例えば、触媒層12,13の構成材料が含まれた触媒層形成用スラリーを高分子電解質膜11の上に塗布した後、触媒層用スラリーを乾燥させることにより、触媒層12,13が形成される。塗布方法の例としては、ドクターブレードコート法、ディッピングコート法、スリットコート法、ダイコート法、スプレー法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、ディスペンサ印刷法、インクジェット印刷法、または、グラビア印刷法等が挙げられる。乾燥方法の例としては、温風乾燥、IR(赤外)乾燥、減圧乾燥等が挙げられる。   Next, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are formed on the polymer electrolyte membrane 11. As a film forming method, a known film forming method can be used as long as the adhesion between the catalyst layers 12 and 13 and the polymer electrolyte membrane 11 is good. For example, after the catalyst layer forming slurry containing the constituent materials of the catalyst layers 12 and 13 is applied onto the polymer electrolyte membrane 11, the catalyst layers 12 and 13 are formed by drying the catalyst layer slurry. The Examples of coating methods include doctor blade coating, dipping coating, slit coating, die coating, spraying, screen printing, flexographic printing, offset printing, dispenser printing, ink jet printing, or gravure printing. Law. Examples of the drying method include hot air drying, IR (infrared) drying, and reduced pressure drying.

触媒層12,13は、電解質と触媒粒子とを含む。電解質としては、触媒層12,13と高分子電解質膜11の密着性を向上させるために、高分子電解質膜11に含まれる電解質と同質の電解質を用いることが好ましい。触媒粒子の例としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、または、オスミウム等の白金族元素や、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属、または、これらの金属の合金、酸化物、複酸化物等が挙げられる。特に、触媒粒子として白金や白金合金を用いることが好ましい。   The catalyst layers 12 and 13 include an electrolyte and catalyst particles. As the electrolyte, in order to improve the adhesion between the catalyst layers 12 and 13 and the polymer electrolyte membrane 11, it is preferable to use an electrolyte of the same quality as the electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 11. Examples of catalyst particles include platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, or osmium, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, etc. Examples thereof include metals, alloys of these metals, oxides, and double oxides. In particular, it is preferable to use platinum or a platinum alloy as the catalyst particles.

触媒粒子の粒径は、0.5nm以上20nm以下が好ましく、1nm以上5nm以下がさらに好ましい。触媒粒子の粒径が大きすぎると触媒の活性が低下する。また、触媒粒子の粒径が小さすぎると触媒の安定性が低下する。   The particle size of the catalyst particles is preferably from 0.5 nm to 20 nm, more preferably from 1 nm to 5 nm. If the particle size of the catalyst particles is too large, the activity of the catalyst is lowered. Moreover, when the particle size of the catalyst particles is too small, the stability of the catalyst is lowered.

触媒粒子は、単体の触媒粒子を用いても良く、あるいは、導電性担体に担持された触媒粒子を用いてもよい。導電性担体に担持された触媒粒子を用いる方が好ましい。導電性担体としては、カーボン粒子が用いられる。カーボン粒子は、微粒子状で導電性を有するとともに、触媒に侵されないものであればよい。カーボン粒子の例としては、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、または、フラーレン等が挙げられる。カーボン粒子の粒径は、10nm以上1000nm以下が好ましく、10nm以上100nm以下がさらに好ましい。カーボン粒子の粒径が小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなる。また。カーボン粒子の粒径が大きすぎると触媒層が厚くなるため、抵抗が増加して固体高分子形燃料電池の出力特性の低下を招く。   As the catalyst particles, single catalyst particles may be used, or catalyst particles supported on a conductive carrier may be used. It is preferable to use catalyst particles supported on a conductive carrier. Carbon particles are used as the conductive carrier. The carbon particles may be fine particles that have conductivity and are not affected by the catalyst. Examples of the carbon particles include carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, or fullerene. The particle size of the carbon particles is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 100 nm or less. If the particle size of the carbon particles is too small, it is difficult to form an electron conduction path. Also. If the particle size of the carbon particles is too large, the catalyst layer becomes thick, so that the resistance increases and the output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell are degraded.

触媒層用スラリーの溶媒としては、電解質を分散または溶解できる溶媒が用いられる。溶媒の例としては、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、または、tert−ブチルアルコール等のアルコール類や、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、または、ジイソブチルケトン等のケトン類や、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、または、ジブチルエーテル等のエーテル類や、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、または、アニリン等のアミン類や、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、または、プロピオン酸ブチル等のエステル類が挙げられる。また、溶媒の他の例としては、酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、または、N−メチルピロリドン等が挙げられる。また、グリコール系溶媒や、グリコールエーテル系溶媒の例として、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール等が挙げられる。   As the solvent for the catalyst layer slurry, a solvent capable of dispersing or dissolving the electrolyte is used. Examples of the solvent include water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, and other alcohols, acetone, methyl ethyl ketone, and methyl propyl ketone. , Ketones such as methylbutylketone, methylisobutylketone, methylamylketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, diethylketone, dipropylketone, or diisobutylketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, Ethers such as dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, or dibutyl ether; Amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, or aniline, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, acetic acid Examples thereof include esters such as isopentyl, methyl propionate, ethyl propionate, and butyl propionate. Other examples of the solvent include acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like. Examples of glycol solvents and glycol ether solvents include ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, -Ethoxy-2-propanol etc. are mentioned.

なお、上述の方法に代えて、先に作成した高分子電解質膜11と触媒層12,13との積層体を基材14に貼り合わせて、膜電極接合体10Aを形成してもよい。
続いて、図3および図4を参照して、固体高分子形燃料電池の構成について説明する。なお、図4は固体高分子形燃料電池の平面図であって、集電体とガス流路との位置を破線で示す図である。
Instead of the above-described method, the membrane electrode assembly 10A may be formed by pasting the laminated body of the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12 and 13 previously prepared on the base material 14.
Next, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 4 is a plan view of the polymer electrolyte fuel cell, and shows the positions of the current collector and the gas flow path with broken lines.

図3に示されるように、固体高分子形燃料電池20Aは、膜電極接合体10Aと、燃料極触媒層12に積層された燃料極集電体22と、空気極触媒層13に積層された空気極集電体23とを備えている。さらに、固体高分子形燃料電池20Aは、膜電極接合体10Aと集電体22,23とを押さえるセパレータ21を備えている。燃料極触媒層12と、燃料極集電体22と、セパレータ21とによって、燃料極ガス流路24が区画されている。空気極触媒層13と、空気極集電体23と、セパレータ21とによって、空気極ガス流路25が区画されている。   As shown in FIG. 3, the polymer electrolyte fuel cell 20 </ b> A includes a membrane electrode assembly 10 </ b> A, a fuel electrode current collector 22 laminated on the fuel electrode catalyst layer 12, and a gas electrode catalyst layer 13. And an air electrode current collector 23. Further, the polymer electrolyte fuel cell 20 </ b> A includes a separator 21 that holds the membrane electrode assembly 10 </ b> A and the current collectors 22 and 23. A fuel electrode gas flow path 24 is defined by the fuel electrode catalyst layer 12, the fuel electrode current collector 22, and the separator 21. An air electrode gas flow path 25 is defined by the air electrode catalyst layer 13, the air electrode current collector 23, and the separator 21.

燃料極ガス流路24は、燃料極触媒層12における高分子電解質膜11と反対側の面と接している。燃料極集電体22は、燃料極触媒層12における高分子電解質膜11と反対側の面のうち、燃料極ガス流路24が配置されない部分と接している。燃料極集電体22と燃料極触媒層12とから、燃料極が構成される。   The fuel electrode gas flow path 24 is in contact with the surface of the fuel electrode catalyst layer 12 opposite to the polymer electrolyte membrane 11. The fuel electrode current collector 22 is in contact with a portion of the surface of the fuel electrode catalyst layer 12 opposite to the polymer electrolyte membrane 11 where the fuel electrode gas flow path 24 is not disposed. A fuel electrode is composed of the fuel electrode current collector 22 and the fuel electrode catalyst layer 12.

空気極ガス流路25は、空気極触媒層13における高分子電解質膜11と反対側の面と接している。空気極集電体23は、空気極触媒層13における高分子電解質膜11と反対側の面のうち、空気極ガス流路25が配置されない部分と接している。空気極集電体23と空気極触媒層13とから、空気極が構成される。   The air electrode gas flow path 25 is in contact with the surface of the air electrode catalyst layer 13 opposite to the polymer electrolyte membrane 11. The air electrode current collector 23 is in contact with a portion of the air electrode catalyst layer 13 on the side opposite to the polymer electrolyte membrane 11 where the air electrode gas flow path 25 is not disposed. The air electrode current collector 23 and the air electrode catalyst layer 13 constitute an air electrode.

セパレータ21は、基材14上にて、高分子電解質膜11と、触媒層12,13と、集電体22,23とに被せられている。セパレータ21は、触媒層12,13の上に配置されて膜電極接合体10Aの面方向に延びる上板部21aと、上板部21aから基材14に向けて膜電極接合体10Aの厚さ方向に延びる中板部21bおよび側板部21cとを備えている。   The separator 21 is covered on the polymer electrolyte membrane 11, the catalyst layers 12 and 13, and the current collectors 22 and 23 on the base material 14. The separator 21 is disposed on the catalyst layers 12 and 13 and extends in the surface direction of the membrane electrode assembly 10A, and the thickness of the membrane electrode assembly 10A from the upper plate portion 21a toward the substrate 14. An intermediate plate portion 21b and a side plate portion 21c extending in the direction are provided.

セパレータ21の上板部21aには、燃料極集電体22の間にて露出する燃料極触媒層12と対向する位置に、燃料極ガス流路24を区画する溝が形成されている。すなわち、燃料極ガス流路24は、燃料極触媒層12とセパレータ21との間で、燃料極集電体22を貫通してセパレータ21に食い込んでいる。燃料極ガス流路24に燃料ガスが流されることによって、燃料極触媒層12に燃料ガスが供給される。   In the upper plate portion 21 a of the separator 21, a groove that partitions the fuel electrode gas flow path 24 is formed at a position facing the fuel electrode catalyst layer 12 exposed between the fuel electrode current collectors 22. That is, the fuel electrode gas flow path 24 penetrates the fuel electrode current collector 22 and bites into the separator 21 between the fuel electrode catalyst layer 12 and the separator 21. The fuel gas is supplied to the fuel electrode catalyst layer 12 by flowing the fuel gas through the fuel electrode gas flow path 24.

また、セパレータ21の上板部21aには、空気極集電体23の間にて露出する空気極触媒層13と対向する位置に、空気極ガス流路25を区画する溝が形成されている。すなわち、空気極ガス流路25は、空気極触媒層13とセパレータ21との間で、空気極集電体23を貫通してセパレータ21に食い込んでいる。空気極ガス流路25に酸化剤ガスが流されることによって、空気極触媒層13に酸化剤ガスが供給される。   Further, the upper plate portion 21 a of the separator 21 is formed with a groove that partitions the air electrode gas flow path 25 at a position facing the air electrode catalyst layer 13 exposed between the air electrode current collectors 23. . That is, the air electrode gas flow path 25 penetrates the separator 21 through the air electrode current collector 23 between the air electrode catalyst layer 13 and the separator 21. The oxidant gas is supplied to the air electrode catalyst layer 13 by causing the oxidant gas to flow through the air electrode gas flow path 25.

セパレータ21の中板部21bは、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間の隙間を埋めている。これにより、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間でガスが混ざることが抑えられる。   The middle plate portion 21 b of the separator 21 fills the gap between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. Thereby, mixing of gas between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 is suppressed.

セパレータ21の側板部21cは、高分子電解質膜11の縁部の外側にて、高分子電解質膜11と触媒層12,13とを囲んでいる。側板部21cは、高分子電解質膜11の縁部および触媒層12,13の縁部および基材14の上面と接している。   The side plate portion 21 c of the separator 21 surrounds the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12 and 13 outside the edge portion of the polymer electrolyte membrane 11. The side plate portion 21 c is in contact with the edge portion of the polymer electrolyte membrane 11, the edge portions of the catalyst layers 12 and 13, and the upper surface of the base material 14.

図4に示されるように、燃料極ガス流路24は、燃料極触媒層12の上で、膜電極接合体10Aの面方向に固体高分子形燃料電池20Aを貫通している。また、空気極ガス流路25は、空気極触媒層13の上で、膜電極接合体10Aの面方向に固体高分子形燃料電池20Aを貫通している。なお、燃料極ガス流路24および空気極ガス流路25の数は、1以上であればよい。   As shown in FIG. 4, the fuel electrode gas flow path 24 penetrates the polymer electrolyte fuel cell 20A on the fuel electrode catalyst layer 12 in the surface direction of the membrane electrode assembly 10A. The air electrode gas flow path 25 penetrates the polymer electrolyte fuel cell 20A on the air electrode catalyst layer 13 in the surface direction of the membrane electrode assembly 10A. In addition, the number of the fuel electrode gas flow paths 24 and the air electrode gas flow paths 25 should just be one or more.

膜電極接合体10Aに、触媒層12,13とセパレータ21とが組み付けられ、さらに、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給機構等が設けられて、単セルの固体高分子形燃料電池20Aが製造される。固体高分子形燃料電池20Aは、単セルの状態、もしくは、複数の固体高分子形燃料電池20Aが組み合わされた状態で使用される。   The catalyst layers 12 and 13 and the separator 21 are assembled to the membrane electrode assembly 10A, and a fuel gas and oxidant gas supply mechanism and the like are provided to manufacture a single-cell solid polymer fuel cell 20A. Is done. The polymer electrolyte fuel cell 20A is used in a single cell state or in a state where a plurality of polymer electrolyte fuel cells 20A are combined.

なお、膜電極接合体10Aの形成後に、高分子電解質膜11の成膜時の基材である基材14が膜電極接合体10Aから除去されてもよい。この場合、固体高分子形燃料電池20Aでは、高分子電解質膜11と触媒層12,13とから構成される膜電極接合体10Aが、高分子電解質膜11の成膜時の基材とは異なる基材の上に配置される。   In addition, after the formation of the membrane electrode assembly 10A, the substrate 14 that is a substrate at the time of forming the polymer electrolyte membrane 11 may be removed from the membrane electrode assembly 10A. In this case, in the polymer electrolyte fuel cell 20A, the membrane electrode assembly 10A composed of the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12 and 13 is different from the base material when the polymer electrolyte membrane 11 is formed. Arranged on the substrate.

第1の実施形態の膜電極接合体10A、および、固体高分子形燃料電池20Aの作用について説明する。
セパレータ21が膜電極接合体10Aを押さえることによって、高分子電解質膜11は、セパレータ21から圧力を受ける。高分子電解質膜11が受ける圧力は、高分子電解質膜11の面上で、触媒層12,13の縁部と高分子電解質膜11とが接する部分に集中する。ここで、膜電極接合体10Aにおいて、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、高分子電解質膜11の厚さ方向にて、高分子電解質膜11に対して同じ側に配置されている。したがって、圧力が集中する位置は、高分子電解質膜11における厚さ方向の一方側にのみ形成される。そのため、高分子電解質膜11の潰れや破膜の要因となる高分子電解質膜11の変形は、高分子電解質膜11の一方の面にしか生じない。その結果、従来のように、高分子電解質膜11における厚さ方向の両側に圧力が集中する位置が形成されて、高分子電解質膜11の両面に高分子電解質膜11の変形が生じる場合と比較して、高分子電解質膜11の潰れや破膜が抑えられる。したがって、膜電極接合体10Aの耐久性が高められる。膜電極接合体10Aの耐久性が高められる結果、固体高分子形燃料電池20Aの耐久性が高められ、長期の運転が可能となる。
The operation of the membrane electrode assembly 10A and the polymer electrolyte fuel cell 20A of the first embodiment will be described.
The polymer electrolyte membrane 11 receives pressure from the separator 21 when the separator 21 presses the membrane electrode assembly 10 </ b> A. The pressure received by the polymer electrolyte membrane 11 is concentrated on the surface of the polymer electrolyte membrane 11 where the edges of the catalyst layers 12 and 13 are in contact with the polymer electrolyte membrane 11. Here, in the membrane electrode assembly 10 </ b> A, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are disposed on the same side of the polymer electrolyte membrane 11 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. Yes. Therefore, the position where the pressure is concentrated is formed only on one side in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. For this reason, deformation of the polymer electrolyte membrane 11 that causes the polymer electrolyte membrane 11 to be crushed or broken occurs only on one surface of the polymer electrolyte membrane 11. As a result, positions where pressure is concentrated on both sides in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11 are formed as in the conventional case, and the polymer electrolyte membrane 11 is deformed on both sides of the polymer electrolyte membrane 11 as compared with the conventional case. As a result, the polymer electrolyte membrane 11 can be prevented from being crushed or broken. Therefore, the durability of the membrane electrode assembly 10A is enhanced. As a result of enhancing the durability of the membrane electrode assembly 10A, the durability of the polymer electrolyte fuel cell 20A is enhanced, and long-term operation is possible.

また、一般に、高分子電解質膜11は剛性が低いため、高分子電解質膜11には皺や折れが発生しやすい。この点、第1の実施形態において、膜電極接合体10Aが基材14を備えている場合には、高分子電解質膜11が基材14に支持されていることにより、高分子電解質膜11に皺や折れが生じることが抑えられる。従来のように、高分子電解質膜を挟む2つの触媒層が互いに異なる大きさに形成された膜電極接合体では、特に、高分子電解質膜に皺や折れが発生しやすくなる。これに対し、第1の実施形態では、高分子電解質膜11の皺や折れを抑えつつ、膜電極接合体10Aの耐久性を高めることができる。したがって、膜電極接合体10Aの信頼性が高められる。   In general, since the polymer electrolyte membrane 11 has low rigidity, the polymer electrolyte membrane 11 is likely to be wrinkled or broken. In this regard, in the first embodiment, when the membrane electrode assembly 10 </ b> A includes the base material 14, the polymer electrolyte membrane 11 is supported by the base material 14. The occurrence of wrinkles and creases is suppressed. In the membrane electrode assembly in which the two catalyst layers sandwiching the polymer electrolyte membrane are formed in different sizes as in the prior art, in particular, the polymer electrolyte membrane is likely to be wrinkled or broken. On the other hand, in 1st Embodiment, durability of 10 A of membrane electrode assemblies can be improved, suppressing the wrinkles and bending of the polymer electrolyte membrane 11. FIG. Therefore, the reliability of the membrane electrode assembly 10A is improved.

また、高分子電解質膜11の成膜時の基材である基材14が固体高分子形燃料電池20Aの構成部材として利用される。したがって、固体高分子形燃料電池20Aにて膜電極接合体10Aが配置される新たな基材が用いられる場合と比較して、固体高分子形燃料電池20Aの製造に必要な材料が削減される。また、固体高分子形燃料電池20Aの製造工程も簡素化される。   Further, the base material 14 which is a base material at the time of forming the polymer electrolyte membrane 11 is used as a constituent member of the polymer electrolyte fuel cell 20A. Therefore, compared with a case where a new base material on which the membrane electrode assembly 10A is disposed is used in the polymer electrolyte fuel cell 20A, materials necessary for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell 20A are reduced. . In addition, the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell 20A is simplified.

以上説明したように、第1の実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)燃料極触媒層12と空気極触媒層13とが、高分子電解質膜11の厚さ方向にて、高分子電解質膜11に対して同じ側に配置されている。その結果、圧力が集中する位置が、高分子電解質膜11における厚さ方向の一方側にのみ形成されるため、2つの触媒層が高分子電解質膜を挟んで配置される場合と比較して、膜電極接合体10Aの耐久性が高められる。
As described above, according to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are disposed on the same side of the polymer electrolyte membrane 11 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11. As a result, since the position where the pressure is concentrated is formed only on one side in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11, compared to the case where the two catalyst layers are arranged with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween, The durability of the membrane electrode assembly 10A is enhanced.

(2)高分子電解質膜11が、触媒層12,13とは反対側から基材14に支持される。したがって、高分子電解質膜11に皺や折れが生じることが抑えられるため、膜電極接合体10Aの信頼性が高められる。   (2) The polymer electrolyte membrane 11 is supported on the base material 14 from the side opposite to the catalyst layers 12 and 13. Therefore, the polymer electrolyte membrane 11 can be prevented from wrinkling or breaking, and the reliability of the membrane electrode assembly 10A can be improved.

(3)燃料極触媒層12と空気極触媒層13とが、同一の平坦面11aにて、高分子電解質膜11と接している。したがって、簡易な構成で、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とを、高分子電解質膜11における厚さ方向の同じ側に配置することができる。その結果、高分子電解質膜11や触媒層12,13の形成方法の自由度も高くなる。   (3) The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are in contact with the polymer electrolyte membrane 11 on the same flat surface 11a. Therefore, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 can be arranged on the same side in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 11 with a simple configuration. As a result, the degree of freedom in forming the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layers 12 and 13 is increased.

(第2の実施形態)
図5〜図7を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第2の実施形態について、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
With reference to FIGS. 5-7, 2nd Embodiment of a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell is demonstrated centering on difference with 1st Embodiment. In addition, about the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

まず、図5を参照して膜電極接合体の構成について説明する。
図5に示されるように、膜電極接合体30は、高分子電解質膜31と、高分子電解質膜31に積層された燃料極触媒層12および空気極触媒層13と、燃料極触媒層12および空気極触媒層13を支持する基材34とを備えている。
First, the structure of the membrane electrode assembly will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, the membrane electrode assembly 30 includes a polymer electrolyte membrane 31, a fuel electrode catalyst layer 12 and an air electrode catalyst layer 13 laminated on the polymer electrolyte membrane 31, a fuel electrode catalyst layer 12 and And a base material 34 that supports the air electrode catalyst layer 13.

高分子電解質膜31は、高分子電解質膜31の厚さ方向の一方側に、段差面31aを備えている。高分子電解質膜31は、高分子電解質膜31の厚さ方向の他方側に、平坦面31bを備えている。段差面31aにて、燃料極触媒層12および空気極触媒層13と高分子電解質膜31とが接している。すなわち、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、高分子電解質膜31の厚さ方向にて、高分子電解質膜31に対して同じ側に配置されている。   The polymer electrolyte membrane 31 includes a step surface 31 a on one side in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31. The polymer electrolyte membrane 31 includes a flat surface 31 b on the other side in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31. The fuel electrode catalyst layer 12, the air electrode catalyst layer 13, and the polymer electrolyte membrane 31 are in contact with each other at the step surface 31a. That is, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are disposed on the same side of the polymer electrolyte membrane 31 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31.

段差面31aは、段差面31aの他の部分よりも高分子電解質膜31の厚さ方向に突出する凸部32を有している。高分子電解質膜31において、凸部32が形成されている部分の厚さは、他の部分の厚さよりも厚くなっている。凸部32は、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間に配置されている。燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、凸部32に接している。すなわち、段差面31a上にて、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、凸部32を挟んで配置されている。   The step surface 31 a has a convex portion 32 that protrudes in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31 from the other portion of the step surface 31 a. In the polymer electrolyte membrane 31, the thickness of the portion where the convex portion 32 is formed is thicker than the thickness of the other portion. The convex portion 32 is disposed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are in contact with the convex portion 32. That is, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are arranged on the step surface 31a with the convex portion 32 interposed therebetween.

基材34は、高分子電解質膜31の厚さ方向にて、高分子電解質膜31に対して燃料極触媒層12および空気極触媒層13と同じ側に配置されている。基材34は、燃料極触媒層12における高分子電解質膜31と厚さ方向にて反対側の面と接している。基材34は、空気極触媒層13における高分子電解質膜31と厚さ方向にて反対側の面と接している。基材34は、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とに挟まれる凸部32の上面と接している。   The base material 34 is disposed on the same side as the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 with respect to the polymer electrolyte membrane 31 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31. The base material 34 is in contact with the surface opposite to the polymer electrolyte membrane 31 in the fuel electrode catalyst layer 12 in the thickness direction. The base material 34 is in contact with the surface opposite to the polymer electrolyte membrane 31 in the air electrode catalyst layer 13 in the thickness direction. The base material 34 is in contact with the upper surface of the convex portion 32 sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13.

燃料極触媒層12および空気極触媒層13の平面形状は、先の図2に示される第1の実施形態の燃料極触媒層12および空気極触媒層13の平面形状と同一である。すなわち、燃料極触媒層12における凸部32と接していない縁部は、高分子電解質膜31の縁部と重なっている。また、空気極触媒層13における凸部32と接していない縁部は、高分子電解質膜31の縁部と重なっている。   The planar shapes of the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are the same as the planar shapes of the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 of the first embodiment shown in FIG. That is, the edge of the fuel electrode catalyst layer 12 that is not in contact with the protrusion 32 overlaps the edge of the polymer electrolyte membrane 31. Further, the edge of the air electrode catalyst layer 13 that is not in contact with the convex portion 32 overlaps with the edge of the polymer electrolyte membrane 31.

膜電極接合体30の製造方法について説明する。
まず、基材34の上に燃料極触媒層12と空気極触媒層13とが成膜される。基材34と触媒層12,13の材料には、第1の実施形態にて例示した基材14と触媒層12,13の材料と同様の材料が用いられる。触媒層12,13の成膜方法には、第1の実施形態にて例示した触媒層12,13の成膜方法と同様の方法が用いられる。
A method for manufacturing the membrane electrode assembly 30 will be described.
First, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are formed on the substrate 34. As the material of the base material 34 and the catalyst layers 12 and 13, the same material as that of the base material 14 and the catalyst layers 12 and 13 exemplified in the first embodiment is used. As the method for forming the catalyst layers 12 and 13, the same method as the method for forming the catalyst layers 12 and 13 exemplified in the first embodiment is used.

次に、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とが形成された基材34の上に、高分子電解質膜31が成膜される。高分子電解質膜31の材料には、第1の実施形態にて例示した高分子電解質膜11の材料と同様の材料が用いられる。高分子電解質膜31の成膜方法には、第1の実施形態にて例示した高分子電解質膜11の成膜方法と同様の方法が用いられる。   Next, the polymer electrolyte membrane 31 is formed on the base material 34 on which the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are formed. As the material of the polymer electrolyte membrane 31, the same material as the material of the polymer electrolyte membrane 11 exemplified in the first embodiment is used. As the method for forming the polymer electrolyte membrane 31, the same method as the method for forming the polymer electrolyte membrane 11 exemplified in the first embodiment is used.

なお、先に作成した触媒層12,13と高分子電解質膜31との積層体を基材34に貼り合わせて、膜電極接合体30を形成してもよい。また、膜電極接合体30の形成後に、高分子電解質膜31の成膜時の基材である基材34が膜電極接合体30から除去されてもよい。   Alternatively, the membrane / electrode assembly 30 may be formed by pasting the laminated body of the catalyst layers 12 and 13 and the polymer electrolyte membrane 31 previously prepared on the base material 34. In addition, after the formation of the membrane electrode assembly 30, the base material 34 that is a base material at the time of forming the polymer electrolyte membrane 31 may be removed from the membrane electrode assembly 30.

続いて、図6および図7を参照して、固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
まず、図6を参照して、膜電極接合体30から基材34が除去されて、膜電極接合体30が高分子電解質膜31と触媒層12,13とから構成される場合について説明する。
Subsequently, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
First, the case where the base material 34 is removed from the membrane electrode assembly 30 and the membrane electrode assembly 30 is composed of the polymer electrolyte membrane 31 and the catalyst layers 12 and 13 will be described with reference to FIG.

図6に示されるように、固体高分子形燃料電池40Aは、第1の実施形態の固体高分子形燃料電池20Aとは、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とに挟まれる部分の構成が異なっている。   As shown in FIG. 6, the polymer electrolyte fuel cell 40 </ b> A is different from the polymer electrolyte fuel cell 20 </ b> A of the first embodiment in a portion sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. The configuration is different.

燃料極触媒層12と空気極触媒層13とに挟まれる部分には、高分子電解質膜31の凸部32が配置されている。第1の実施形態の固体高分子形燃料電池20Aと比較して、凸部32の厚さの分、セパレータ41の中板部41bの厚さ方向の長さが短縮されている。   A convex portion 32 of the polymer electrolyte membrane 31 is disposed at a portion sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. Compared with the polymer electrolyte fuel cell 20A of the first embodiment, the length in the thickness direction of the middle plate portion 41b of the separator 41 is shortened by the thickness of the convex portion 32.

固体高分子形燃料電池40Aの製造工程では、膜電極接合体30が基材44の上に配置され、基材44の上に配置された膜電極接合体30に、触媒層12,13とセパレータ41とが組み付けられる。   In the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell 40A, the membrane electrode assembly 30 is disposed on the base member 44, and the catalyst layers 12 and 13 and the separator are placed on the membrane electrode assembly 30 disposed on the base member 44. 41 is assembled.

次に、図7を参照して、膜電極接合体30が基材34を備えている場合について説明する。
図7に示されるように、固体高分子形燃料電池40Bにおいて、基材34にて燃料極触媒層12と向かい合う部分には、燃料極集電体35と燃料極ガス流路37とが配置されている。基材34にて空気極触媒層13と向かい合う部分には、空気極集電体36と空気極ガス流路38とが配置されている。
Next, with reference to FIG. 7, the case where the membrane electrode assembly 30 includes the base material 34 will be described.
As shown in FIG. 7, in the polymer electrolyte fuel cell 40 </ b> B, a fuel electrode current collector 35 and a fuel electrode gas flow path 37 are disposed in a portion of the base material 34 facing the fuel electrode catalyst layer 12. ing. An air electrode current collector 36 and an air electrode gas flow path 38 are disposed in a portion of the substrate 34 that faces the air electrode catalyst layer 13.

セパレータ42は、基材34を含めて膜電極接合体30を覆っている。第1の実施形態の固体高分子形燃料電池20Aと異なり、セパレータ42は、中板部を有していない。
集電体35,36とガス流路37,38とは、予め基材34に設けられる。集電体35,36とガス流路37,38とが設けられた基材34に、触媒層12,13と高分子電解質膜31との積層体が貼り合わされて、膜電極接合体30が形成される。固体高分子形燃料電池40Bの製造工程では、膜電極接合体30が基材44の上に配置され、基材44の上に配置された膜電極接合体30にセパレータ42が組み付けられる。
The separator 42 covers the membrane electrode assembly 30 including the base material 34. Unlike the polymer electrolyte fuel cell 20A of the first embodiment, the separator 42 does not have an intermediate plate portion.
The current collectors 35 and 36 and the gas flow paths 37 and 38 are provided in advance on the base material 34. A laminate of the catalyst layers 12 and 13 and the polymer electrolyte membrane 31 is bonded to the base material 34 provided with the current collectors 35 and 36 and the gas flow paths 37 and 38 to form the membrane electrode assembly 30. Is done. In the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell 40B, the membrane electrode assembly 30 is disposed on the base material 44, and the separator 42 is assembled to the membrane electrode assembly 30 disposed on the base material 44.

このように、基材34に集電体35,36とガス流路37,38とが備えられている構成であれば、基材34を有する膜電極接合体30を用いて、固体高分子形燃料電池40Bを形成することができる。   Thus, if the base material 34 is provided with the current collectors 35 and 36 and the gas flow paths 37 and 38, the membrane electrode assembly 30 having the base material 34 is used to form a solid polymer type. The fuel cell 40B can be formed.

第2の実施形態の膜電極接合体30、および、固体高分子形燃料電池40A,40Bの作用について説明する。
第2の実施形態の膜電極接合体30においても、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、高分子電解質膜31の厚さ方向にて、高分子電解質膜31に対して同じ側に配置されている。したがって、圧力が集中する位置は、高分子電解質膜31における厚さ方向の一方側にのみ形成される。その結果、2つの触媒層が高分子電解質膜を挟んで配置される場合と比較して、高分子電解質膜11の潰れや破膜が抑えられるため、膜電極接合体30の耐久性が高められる。
The operation of the membrane electrode assembly 30 and the polymer electrolyte fuel cells 40A and 40B of the second embodiment will be described.
Also in the membrane electrode assembly 30 of the second embodiment, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are on the same side with respect to the polymer electrolyte membrane 31 in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31. Is arranged. Therefore, the position where the pressure is concentrated is formed only on one side in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane 31. As a result, compared to the case where the two catalyst layers are arranged with the polymer electrolyte membrane interposed therebetween, the polymer electrolyte membrane 11 can be prevented from being crushed and broken, so that the durability of the membrane electrode assembly 30 is improved. .

また、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間に高分子電解質膜31の凸部が配置されている。したがって、燃料極触媒層12および空気極触媒層13と高分子電解質膜31との接触する面積を広く確保できる。また、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間でガスが混ざることが抑えられる。   Further, the convex portion of the polymer electrolyte membrane 31 is disposed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. Accordingly, a wide contact area between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 and the polymer electrolyte membrane 31 can be secured. Further, mixing of gas between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 is suppressed.

また、膜電極接合体30が基材34を有している場合には、高分子電解質膜31が、触媒層12,13を介して基材34に支持される。したがって、高分子電解質膜11に皺や折れが生じることが抑えられるため、膜電極接合体30の信頼性が高められる。   Further, when the membrane electrode assembly 30 has the base material 34, the polymer electrolyte membrane 31 is supported on the base material 34 via the catalyst layers 12 and 13. Therefore, the polymer electrolyte membrane 11 can be prevented from being wrinkled or broken, so that the reliability of the membrane electrode assembly 30 is improved.

以上説明したように、第2の実施形態によれば、第1の実施形態の(1)の効果に加え、以下の効果が得られる。
(4)高分子電解質膜31が、触媒層12,13と同じ側から基材34に支持されている。したがって、高分子電解質膜31に皺や折れが生じることが抑えられるため、膜電極接合体30の信頼性が高められる。
As described above, according to the second embodiment, in addition to the effect (1) of the first embodiment, the following effect can be obtained.
(4) The polymer electrolyte membrane 31 is supported on the base material 34 from the same side as the catalyst layers 12 and 13. Accordingly, the polymer electrolyte membrane 31 can be prevented from wrinkling and folding, so that the reliability of the membrane electrode assembly 30 is improved.

(5)燃料極触媒層12と空気極触媒層13とが高分子電解質膜31の段差面31aに配置され、段差面31aが有する凸部32が、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間に配置されている。したがって、燃料極触媒層12および空気極触媒層13と高分子電解質膜31との接触する面積を広く確保できる。また、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間でガスが混ざることが抑えられる。   (5) The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are disposed on the step surface 31 a of the polymer electrolyte membrane 31, and the convex portion 32 of the step surface 31 a is formed by the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. It is arranged between. Accordingly, a wide contact area between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 and the polymer electrolyte membrane 31 can be secured. Further, mixing of gas between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 is suppressed.

(第3の実施形態)
図8および図9を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第3の実施形態について、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
With reference to FIG. 8 and FIG. 9, the third embodiment of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell will be described with a focus on differences from the first embodiment. In addition, about the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

まず、図8を参照して膜電極接合体の構成について説明する。第3の実施形態の膜電極接合体10Bと第1の実施形態の膜電極接合体10Aとは、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間の構成が異なっている。   First, the configuration of the membrane electrode assembly will be described with reference to FIG. The configuration between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 is different between the membrane electrode assembly 10B of the third embodiment and the membrane electrode assembly 10A of the first embodiment.

図8に示されるように、高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間には、ガスシール部15が設けられている。燃料極触媒層12と空気極触媒層13とは、ガスシール部15に接している。   As shown in FIG. 8, a gas seal portion 15 is provided between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 on the flat surface 11 a of the polymer electrolyte membrane 11. The fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 are in contact with the gas seal portion 15.

ガスシール部15の材料には、気体の透過を抑える材料が用いられる。ガスシール部15の材料の例としては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、または、ニトリルブタジエンゴム等のゴム類や、シリコーンエラストマー類、熱可塑性エラストマー類、熱硬化性エラストマー類、または、UV硬化樹脂等が挙げられる。   As the material of the gas seal portion 15, a material that suppresses gas permeation is used. Examples of the material of the gas seal portion 15 include rubbers such as silicone rubber, ethylene-propylene-diene rubber, or nitrile butadiene rubber, silicone elastomers, thermoplastic elastomers, thermosetting elastomers, or UV curing. Examples thereof include resins.

ガスシール部15は、上記材料を単独で燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間に配置することにより形成される。あるいは、ガスシール部15は、上記材料を溶媒に溶解させて調整した塗布液を燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間に塗布し、必要に応じて乾燥や硬化を行うことによって形成される。   The gas seal portion 15 is formed by disposing the above material between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 alone. Alternatively, the gas seal unit 15 applies a coating solution prepared by dissolving the above materials in a solvent between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13, and performs drying and curing as necessary. It is formed.

次に、図9を参照して、固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図9に示されるように、固体高分子形燃料電池20Bは、第1の実施形態の固体高分子形燃料電池20Aとは、燃料極触媒層12と空気極触媒層13とに挟まれる部分の構成が異なっている。
Next, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 9, the polymer electrolyte fuel cell 20B is different from the polymer electrolyte fuel cell 20A of the first embodiment in a portion sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. The configuration is different.

燃料極触媒層12と空気極触媒層13とに挟まれる部分には、ガスシール部15が配置されている。第1の実施形態の固体高分子形燃料電池20Aと異なり、セパレータ26は中板部を有していない。   A gas seal portion 15 is disposed at a portion sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. Unlike the polymer electrolyte fuel cell 20A of the first embodiment, the separator 26 does not have an intermediate plate portion.

第3の実施形態の膜電極接合体10B、および、固体高分子形燃料電池20Bの作用について説明する。
一般に、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応すると、過酸化水素が生じて膜電極接合体の耐久性が低下する。第3実施形態では、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にガスシール部15が設けられている。したがって、燃料極触媒層12に供給された燃料ガスと空気極触媒層13に供給された酸化剤ガスとが、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間で接触して反応を起こすことが抑制される。
The operation of the membrane electrode assembly 10B and the polymer electrolyte fuel cell 20B of the third embodiment will be described.
Generally, when the fuel gas and the oxidant gas react with each other, hydrogen peroxide is generated and the durability of the membrane electrode assembly is lowered. In the third embodiment, a gas seal portion 15 is provided between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. Therefore, the fuel gas supplied to the fuel electrode catalyst layer 12 and the oxidant gas supplied to the air electrode catalyst layer 13 come into contact with each other between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 to cause a reaction. It is suppressed.

また、膜電極接合体10Bにガスの混合を抑える部材が配置されているため、セパレータ26にガスの混合を抑える部材を設ける必要がない。したがって、セパレータ26の構成が簡易となる。また、固体高分子形燃料電池20Bの製造工程において、セパレータ26と膜電極接合体10Bとの位置合わせも容易となる。   Moreover, since the member which suppresses gas mixing is arrange | positioned at the membrane electrode assembly 10B, it is not necessary to provide the separator 26 with the member which suppresses gas mixing. Therefore, the configuration of the separator 26 is simplified. Further, in the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell 20B, it is easy to align the separator 26 and the membrane electrode assembly 10B.

以上説明したように、第3の実施形態によれば、第1の実施形態の(1)〜(3)の効果に加え、以下の効果が得られる。
(6)燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にガスシール部15が配置されるため、二種類の触媒層の各々に供給されるガスが混ざることが抑えられる。
As described above, according to the third embodiment, in addition to the effects (1) to (3) of the first embodiment, the following effects can be obtained.
(6) Since the gas seal portion 15 is disposed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13, mixing of gases supplied to each of the two types of catalyst layers is suppressed.

(第4の実施形態)
図10および図11を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第4の実施形態について、第3の実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第3の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
(Fourth embodiment)
With reference to FIG. 10 and FIG. 11, the fourth embodiment of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell will be described focusing on the differences from the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to 3rd Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

まず、図10を参照して膜電極接合体の構成について説明する。第4の実施形態の膜電極接合体10Cと第3の実施形態の膜電極接合体10Bとは、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との周辺の構成が異なっている。   First, the configuration of the membrane electrode assembly will be described with reference to FIG. The configuration of the periphery of the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 is different between the membrane electrode assembly 10C of the fourth embodiment and the membrane electrode assembly 10B of the third embodiment.

図10に示されるように、高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、燃料極触媒層12とガスシール部15との間には空間Saが形成されている。高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、空気極触媒層13とガスシール部15との間には空間Sbが形成されている。   As shown in FIG. 10, a space Sa is formed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the gas seal portion 15 on the flat surface 11 a of the polymer electrolyte membrane 11. On the flat surface 11 a of the polymer electrolyte membrane 11, a space Sb is formed between the air electrode catalyst layer 13 and the gas seal portion 15.

燃料極触媒層12におけるガスシール部15と対向する縁部と反対側の縁部を縁部12eとすると、縁部12eは、高分子電解質膜11の縁部よりも内側に配置される。そして、縁部12eの外側には、高分子電解質膜11の平坦面11aが露出している。すなわち、高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、縁部12eの外側には、空間Scが形成されている。   If the edge of the fuel electrode catalyst layer 12 opposite to the edge facing the gas seal portion 15 is the edge 12e, the edge 12e is disposed on the inner side of the edge of the polymer electrolyte membrane 11. The flat surface 11a of the polymer electrolyte membrane 11 is exposed outside the edge portion 12e. That is, on the flat surface 11a of the polymer electrolyte membrane 11, a space Sc is formed outside the edge portion 12e.

空気極触媒層13におけるガスシール部15と対向する縁部と反対側の縁部を縁部13eとすると、縁部13eは、高分子電解質膜11の縁部よりも内側に配置される。そして、縁部13eの外側には、高分子電解質膜11の平坦面11aが露出している。すなわち、高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、縁部13eの外側には、空間Sdが形成されている。   Assuming that the edge of the air electrode catalyst layer 13 opposite to the edge facing the gas seal part 15 is the edge 13e, the edge 13e is arranged on the inner side of the edge of the polymer electrolyte membrane 11. The flat surface 11a of the polymer electrolyte membrane 11 is exposed outside the edge portion 13e. That is, on the flat surface 11a of the polymer electrolyte membrane 11, a space Sd is formed outside the edge portion 13e.

上記構成では、高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、面方向における燃料極触媒層12の周囲に形成された空間Sa,Scが、燃料極ガス流路16を形成している。燃料極ガス流路16は、燃料極触媒層12の周囲にて、燃料極触媒層12の縁部と接している。また、高分子電解質膜11の平坦面11a上にて、面方向における空気極触媒層13の周囲に形成された空間Sb,Sdが、空気極ガス流路17を形成している。空気極ガス流路17は、空気極触媒層13の周囲にて、空気極触媒層13の縁部と接している。   In the above configuration, the spaces Sa and Sc formed around the fuel electrode catalyst layer 12 in the surface direction on the flat surface 11 a of the polymer electrolyte membrane 11 form the fuel electrode gas flow path 16. The fuel electrode gas flow path 16 is in contact with the edge of the fuel electrode catalyst layer 12 around the fuel electrode catalyst layer 12. On the flat surface 11 a of the polymer electrolyte membrane 11, spaces Sb and Sd formed around the air electrode catalyst layer 13 in the surface direction form an air electrode gas flow path 17. The air electrode gas flow path 17 is in contact with the edge of the air electrode catalyst layer 13 around the air electrode catalyst layer 13.

換言すれば、燃料極ガス流路16は、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間、および、燃料極触媒層12に対して空気極触媒層13と反対側に形成されている。空気極ガス流路17は、空気極触媒層13と燃料極触媒層12との間、および、空気極触媒層13に対して燃料極触媒層12と反対側に形成されている。   In other words, the fuel electrode gas flow path 16 is formed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13 and on the opposite side of the air electrode catalyst layer 13 with respect to the fuel electrode catalyst layer 12. . The air electrode gas flow path 17 is formed between the air electrode catalyst layer 13 and the fuel electrode catalyst layer 12 and on the side opposite to the fuel electrode catalyst layer 12 with respect to the air electrode catalyst layer 13.

次に、図11を参照して、固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図11に示されるように、固体高分子形燃料電池20Cにて、燃料極集電体27は、燃料極触媒層12における高分子電解質膜11と反対側の面の全面と接している。空気極集電体28は、空気極触媒層13における高分子電解質膜11と反対側の面の全面と接している。
Next, the configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 11, in the polymer electrolyte fuel cell 20 </ b> C, the fuel electrode current collector 27 is in contact with the entire surface of the fuel electrode catalyst layer 12 on the side opposite to the polymer electrolyte membrane 11. The air electrode current collector 28 is in contact with the entire surface of the air electrode catalyst layer 13 opposite to the polymer electrolyte membrane 11.

セパレータ29の上板部29aは、第3の実施形態の固体高分子形燃料電池20Bと異なり、集電体27,28と対向する位置に溝を有していない。
燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にて、空間Saが形成されている部分では、セパレータ29の上板部29aと燃料極触媒層12とガスシール部15と高分子電解質膜11とによって燃料極ガス流路16が区画される。燃料極触媒層12に対して空気極触媒層13と反対側にて、空間Scが形成されている部分では、セパレータ29の上板部29aと側板部29cと燃料極触媒層12と高分子電解質膜11とによって燃料極ガス流路16が区画される。
Unlike the polymer electrolyte fuel cell 20B of the third embodiment, the upper plate portion 29a of the separator 29 does not have a groove at a position facing the current collectors 27 and 28.
In the portion where the space Sa is formed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13, the upper plate portion 29a of the separator 29, the fuel electrode catalyst layer 12, the gas seal portion 15, and the polymer electrolyte membrane. 11 divides the fuel electrode gas flow path 16. In a portion where the space Sc is formed on the side opposite to the air electrode catalyst layer 13 with respect to the fuel electrode catalyst layer 12, the upper plate portion 29a, the side plate portion 29c of the separator 29, the fuel electrode catalyst layer 12, and the polymer electrolyte. A fuel electrode gas flow path 16 is defined by the membrane 11.

燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にて、空間Sbが形成されている部分では、セパレータ29の上板部29aと空気極触媒層13とガスシール部15と高分子電解質膜11とによって空気極ガス流路17が区画される。空気極触媒層13に対して燃料極触媒層12と反対側にて、空間Sdが形成されている部分では、セパレータ29の上板部29aと側板部29cと空気極触媒層13と高分子電解質膜11とによって空気極ガス流路17が区画される。   In the portion where the space Sb is formed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13, the upper plate portion 29a of the separator 29, the air electrode catalyst layer 13, the gas seal portion 15, and the polymer electrolyte membrane. 11 divides the air electrode gas flow path 17. In the portion where the space Sd is formed on the side opposite to the fuel electrode catalyst layer 12 with respect to the air electrode catalyst layer 13, the upper plate portion 29a, the side plate portion 29c of the separator 29, the air electrode catalyst layer 13, and the polymer electrolyte. The air electrode gas flow path 17 is partitioned by the membrane 11.

第4の実施形態の膜電極接合体10C、および、固体高分子形燃料電池20Cの作用について説明する。
ガス流路16,17が触媒層12,13の縁部と接しているため、触媒層12,13に供給されるガスの拡散性が高められる。その結果、触媒層12,13に効率的にガスを供給することができる。また、発電によって生成された水が空気極触媒層13の縁部からガス流路17に排水されるため、生成水の排水性が高められる。ガスの拡散性と生成水の排水性が高められることによって、固体高分子形燃料電池20Cの出力が向上される。
The operation of the membrane electrode assembly 10C and the polymer electrolyte fuel cell 20C of the fourth embodiment will be described.
Since the gas flow paths 16 and 17 are in contact with the edges of the catalyst layers 12 and 13, the diffusibility of the gas supplied to the catalyst layers 12 and 13 is enhanced. As a result, gas can be efficiently supplied to the catalyst layers 12 and 13. Moreover, since the water produced | generated by the electric power generation is drained from the edge part of the air electrode catalyst layer 13 to the gas flow path 17, the drainage property of produced water is improved. The output of the polymer electrolyte fuel cell 20C is improved by improving the gas diffusibility and the drainage of the generated water.

また、膜電極接合体10Cにガス流路16,17が形成されているため、セパレータ29にガス流路を区画する溝を設ける必要がない。したがって、セパレータ29の構成が簡易となる。また、固体高分子形燃料電池20Cの製造工程において、セパレータ29と膜電極接合体10Cとの位置合わせも容易となる。   Further, since the gas flow paths 16 and 17 are formed in the membrane electrode assembly 10C, it is not necessary to provide the separator 29 with a groove for partitioning the gas flow path. Therefore, the configuration of the separator 29 is simplified. Further, in the manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell 20C, the alignment between the separator 29 and the membrane electrode assembly 10C is facilitated.

以上説明したように、第4の実施形態によれば、第1の実施形態の(1)〜(3)、第3の実施形態の(6)の効果に加え、以下の効果が得られる。
(7)燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にガス流路16,17が形成されているため、触媒層12,13に供給されるガスの拡散性が高められる。また、生成水の排水性が高められる。
As described above, according to the fourth embodiment, in addition to the effects (1) to (3) of the first embodiment and the effect (6) of the third embodiment, the following effects can be obtained.
(7) Since the gas flow paths 16 and 17 are formed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13, the diffusibility of the gas supplied to the catalyst layers 12 and 13 is enhanced. Moreover, the drainage of produced water is improved.

(変形例)
上記実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
・膜電極接合体が、複数の燃料極触媒層と複数の空気極触媒層とを備えていてもよい。例えば、図12に示されるように、膜電極接合体10Dにて、複数の燃料極触媒層52と複数の空気極触媒層53とがマトリクス状に配置されてもよい。配列の縦方向に燃料極触媒層52と空気極触媒層53とが隣接し、配列の横方向に燃料極触媒層52と空気極触媒層53とが隣接する。また、例えば、図13に示されるように、膜電極接合体10Eにて、一方向に延びる複数の燃料極触媒層62と複数の空気極触媒層63とが交互に配置されてもよい。また、燃料極触媒層と空気極触媒層とが矩形とは異なる形状に形成されていてもよい。
(Modification)
The above embodiment can be implemented with the following modifications.
The membrane electrode assembly may include a plurality of fuel electrode catalyst layers and a plurality of air electrode catalyst layers. For example, as shown in FIG. 12, a plurality of fuel electrode catalyst layers 52 and a plurality of air electrode catalyst layers 53 may be arranged in a matrix in the membrane electrode assembly 10D. The fuel electrode catalyst layer 52 and the air electrode catalyst layer 53 are adjacent to each other in the vertical direction of the array, and the fuel electrode catalyst layer 52 and the air electrode catalyst layer 53 are adjacent to each other in the horizontal direction of the array. For example, as illustrated in FIG. 13, in the membrane electrode assembly 10 </ b> E, a plurality of fuel electrode catalyst layers 62 and a plurality of air electrode catalyst layers 63 extending in one direction may be alternately arranged. Further, the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer may be formed in a shape different from a rectangle.

第4の実施形態に、図13に示される触媒層の配置を適用した膜電極接合体10Fおよび固体高分子形燃料電池20Fの平面図を図14および図15に示す。なお、図15は固体高分子形燃料電池20Fの平面図であって、集電体の位置を破線で示す図である。   14 and 15 are plan views of a membrane electrode assembly 10F and a polymer electrolyte fuel cell 20F to which the arrangement of the catalyst layer shown in FIG. 13 is applied to the fourth embodiment. FIG. 15 is a plan view of the polymer electrolyte fuel cell 20F, and the position of the current collector is indicated by a broken line.

図14に示されるように、燃料極触媒層62と空気極触媒層63との間の各々に、ガスシール部65が配置されている。燃料極触媒層62とガスシール部65の間の各々に、燃料極ガス流路66が形成されている。空気極触媒層63とガスシール部65の間の各々に、空気極ガス流路67が形成されている。燃料極ガス流路66は、燃料極触媒層62と空気極触媒層63との並設方向の端部に配置される燃料極触媒層62の外側にも形成されている。空気極ガス流路67は、燃料極触媒層62と空気極触媒層63との並設方向の端部に配置される空気極触媒層63の外側にも形成されている。   As shown in FIG. 14, a gas seal portion 65 is disposed between each of the fuel electrode catalyst layer 62 and the air electrode catalyst layer 63. A fuel electrode gas flow channel 66 is formed between each of the fuel electrode catalyst layer 62 and the gas seal portion 65. An air electrode gas passage 67 is formed between the air electrode catalyst layer 63 and the gas seal portion 65. The fuel electrode gas flow channel 66 is also formed outside the fuel electrode catalyst layer 62 disposed at the end of the fuel electrode catalyst layer 62 and the air electrode catalyst layer 63 in the juxtaposed direction. The air electrode gas flow path 67 is also formed outside the air electrode catalyst layer 63 disposed at the end of the fuel electrode catalyst layer 62 and the air electrode catalyst layer 63 in the juxtaposed direction.

図15に示されるように、各燃料極触媒層62と接する燃料極集電体68は、燃料極触媒層62が延びる方向の一端にて、互いに接続されている。各空気極触媒層63と接する空気極集電体69は、空気極触媒層63が延びる方向の一端にて、互いに接続されている。   As shown in FIG. 15, the anode current collector 68 in contact with each anode electrode catalyst layer 62 is connected to each other at one end in the direction in which the anode electrode catalyst layer 62 extends. The air electrode current collector 69 in contact with each air electrode catalyst layer 63 is connected to each other at one end in the direction in which the air electrode catalyst layer 63 extends.

このように、膜電極接合体が、複数の燃料極触媒層と複数の空気極触媒層とを備える構成であれば、各触媒層の配置や周辺回路の構成によって、固体高分子形燃料電池の出力の調整に関する自由度が向上される。   Thus, if the membrane electrode assembly is configured to include a plurality of fuel electrode catalyst layers and a plurality of air electrode catalyst layers, depending on the arrangement of each catalyst layer and the configuration of the peripheral circuit, the polymer electrolyte fuel cell The degree of freedom regarding output adjustment is improved.

上記実施形態および変形例において、燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔は、高分子電解質膜の抵抗の増加による固体高分子形燃料電池の出力の低下を抑えるために、1μm以上800μm以下であることが好ましい。1μm以上800μm以下の範囲で、燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔は小さい方が望ましい。具体的には、燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔は、1μm以上500μm以下が好ましく、1μm以上300μm以下がより好ましく、1μm以上20μm以下がさらに好ましい。燃料極触媒層と空気極触媒層との間隔が1μmより小さいと、触媒層の形成が困難になる。   In the embodiment and the modification, the distance between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer is 1 μm or more and 800 μm or less in order to suppress a decrease in output of the polymer electrolyte fuel cell due to an increase in the resistance of the polymer electrolyte membrane. It is preferable that The distance between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer is preferably as small as possible in the range of 1 μm to 800 μm. Specifically, the distance between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer is preferably 1 μm to 500 μm, more preferably 1 μm to 300 μm, and even more preferably 1 μm to 20 μm. If the distance between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer is less than 1 μm, formation of the catalyst layer becomes difficult.

・燃料極触媒層が接触する部分の高分子電解質膜の厚さと、空気極触媒層が接触する部分の高分子電解質膜の厚さが異なっていてもよい。要は、燃料極触媒層と空気極触媒層とが、高分子電解質膜の厚さ方向にて、高分子電解質膜に対して同じ側に配置されていればよい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane in the portion where the fuel electrode catalyst layer is in contact with the thickness of the polymer electrolyte membrane in the portion where the air electrode catalyst layer is in contact may be different. In short, it is only necessary that the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer are disposed on the same side of the polymer electrolyte membrane in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane.

・第1の実施形態に、第4の実施形態を組み合わせてもよい。例えば、セパレータ21の中板部21bと燃料極触媒層12および空気極触媒層13との間に空間を設けて、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にガス流路を形成してもよい。   -You may combine 4th Embodiment with 1st Embodiment. For example, a space is provided between the middle plate portion 21 b of the separator 21, the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13, and a gas flow path is formed between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. May be.

・第4の実施形態において、ガス流路16,17は、燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間にのみ形成されてもよい。また、燃料極触媒層12と空気極触媒層13の面上にもガス流路が形成されてもよい。   In the fourth embodiment, the gas flow paths 16 and 17 may be formed only between the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13. Gas flow paths may also be formed on the surfaces of the fuel electrode catalyst layer 12 and the air electrode catalyst layer 13.

・第1〜第3の実施形態において、セパレータは、側板部を備えていなくてもよい。すなわち、セパレータは、高分子電解質膜の縁部を囲まず、膜電極接合体の上部のみを覆ってもよい。   -In 1st-3rd embodiment, the separator does not need to be provided with the side-plate part. That is, the separator may cover only the upper part of the membrane electrode assembly without surrounding the edge of the polymer electrolyte membrane.

・ガス流路は、通気性を有する材料から形成してもよい。通気性を有する材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、または、カーボン不織布等が挙げられる。   -You may form a gas flow path from the material which has air permeability. Examples of the air permeable material include carbon paper, carbon cloth, or carbon non-woven fabric.

10A〜10F,30…膜電極接合体、11,31…高分子電解質膜、11a,11b,31b…平坦面、12,52,62…燃料極触媒層、13,53,63…空気極側触媒層、14,34,44…基材、15,65…ガスシール部、16,24,37,66…燃料極ガス流路、17,25,38,67…空気極ガス流路、22,27,35,68…燃料極集電体、23,28,36,69…空気極集電体、21,26,29,41,42…セパレータ、31a…段差面、32…凸部。   10A to 10F, 30 ... membrane electrode assembly, 11, 31 ... polymer electrolyte membrane, 11a, 11b, 31b ... flat surface, 12, 52, 62 ... fuel electrode catalyst layer, 13, 53, 63 ... air electrode side catalyst Layer, 14, 34, 44 ... base material, 15, 65 ... gas seal part, 16, 24, 37, 66 ... fuel electrode gas flow path, 17, 25, 38, 67 ... air electrode gas flow path, 22, 27 , 35, 68 ... fuel electrode current collector, 23, 28, 36, 69 ... air electrode current collector, 21, 26, 29, 41, 42 ... separator, 31a ... step surface, 32 ... convex portion.

Claims (8)

電解質層と、
前記電解質層と接触する燃料極触媒層と、
前記電解質層と接触する空気極触媒層と、を備え、
前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とが、
前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して同じ側に配置されている
膜電極接合体。
An electrolyte layer;
A fuel electrode catalyst layer in contact with the electrolyte layer;
An air electrode catalyst layer in contact with the electrolyte layer,
The fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer,
The membrane / electrode assembly is disposed on the same side of the electrolyte layer in the thickness direction of the electrolyte layer.
前記電解質層は、平坦面を備え、
前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とが、
前記平坦面に配置されている
請求項1に記載の膜電極接合体。
The electrolyte layer has a flat surface,
The fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer,
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the membrane electrode assembly is disposed on the flat surface.
前記電解質層は、段差面を備え、
前記段差面が有する凸部が、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層との間に配置されている
請求項1に記載の膜電極接合体。
The electrolyte layer includes a step surface,
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein a convex portion of the step surface is disposed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer.
前記電解質層を支持する基材をさらに備え、
前記基材は、
前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層と反対側に配置されている
請求項2に記載の膜電極接合体。
Further comprising a substrate for supporting the electrolyte layer;
The substrate is
The membrane electrode assembly according to claim 2, wherein the membrane electrode assembly is disposed on a side opposite to the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer with respect to the electrolyte layer in a thickness direction of the electrolyte layer.
前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とを支持する基材をさらに備え、
前記基材は、
前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層と同じ側に配置されている
請求項3に記載の膜電極接合体。
Further comprising a base material that supports the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer;
The substrate is
The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the membrane electrode assembly is disposed on the same side as the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer with respect to the electrolyte layer in a thickness direction of the electrolyte layer.
ガスの流通を抑制するガスシール部をさらに備え、
前記ガスシール部は、前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層との間に配置されている
請求項2または4に記載の膜電極接合体。
A gas seal part that suppresses gas flow is further provided,
The membrane electrode assembly according to claim 2 or 4, wherein the gas seal portion is disposed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer.
前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層との間に、ガスが流通するガス流路が形成されている
請求項2,4,6のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
The membrane electrode assembly according to any one of claims 2, 4, and 6, wherein a gas flow path through which a gas flows is formed between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の膜電極接合体を備える
固体高分子形燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7.
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