JP2014192095A - Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
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
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
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,
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.
(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
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
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
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
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
First, the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
The
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
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
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
(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
(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
(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
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
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
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
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
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
First, the fuel
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
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 /
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
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
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
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
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
As shown in FIG. 7, in the polymer electrolyte fuel cell 40 </ b> B, a fuel electrode
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
The
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
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
Also in the
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
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
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
(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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
In the portion where the space Sa is formed between the fuel
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
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
Since the
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
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
(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
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
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
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
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
・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
・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)
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.
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.
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.
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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