JP2015046284A - 膜電極接合体および膜電極接合体積層体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質膜2の一方面に燃料極触媒層6を、他方面に空気極触媒層7を積層し、燃料極触媒層6と空気極触媒層7の外周部にガスケット部材3を設けた膜電極接合体10であって、ガスケット部材3表面に、スペーサ1を備え、スペーサ1が、ガスケット部材3から剥離でき、スペーサ1が、燃料極触媒層6および空気極触媒層7の上部に存在しないように設ける。
【選択図】図1
Description
拡散層や燃料極触媒層、空気極触媒層の欠損や、損傷を回避しつつ、簡便で、かつ品質の損なわれることのない輸送を可能にすることを目的とする。
このスペーサが、前記燃料極触媒層または前記空気極触媒層の表面から突出していることを特徴とする膜電極接合体である。
電解質膜2は、イオン伝導性の高い材用であれば特に限定されないが、多くはパーフルオロスルホン酸系や炭化水素系の固体電解質膜が用いられる。具体的にはナフィオン(Nafion):デュポン社製、ゴアセレクト(Goreselect):ジャパンゴアテックス社製、フレミオン(Flemion):旭硝子社製等を挙げることができる。電解質膜2の厚みは、特に限定されないが、10μm〜200μmが好ましく、これより薄いと破損しやすく、また扱いにくくなり、反対に厚いと膜抵抗が大きく性能に問題を生じる。
燃料極触媒層6および空気極触媒層7は、触媒と電解質とから成り、触媒としては、粒子状の白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、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合金、酸化物や複酸化物等が使用できる。
と電解質膜2との密着性が高められ、より好ましい。
ガスケット部材3は、大きくは次に挙げる役割を担う。電解質膜2は原料や生成ガスに曝されると劣化が促進されることが知られており、電解質膜2の燃料極触媒層6および空気極触媒層7が形成されていない部分を覆うことにより、電解質膜2をガスから保護する役割が一つである。
スペーサ1は、燃料極側のガスケット部材3および空気極側のガスケット部材3のどちらか一方にのみ設けられても、両方に設けられてもよい。複数の膜電極接合体10を積層した際、その両末端の膜電極接合体10は、その外側にスペーサ1を有する構成がとくに好ましい。例えば、燃料極側のガスケット部材3上にのみスペーサ1を有する複数の膜電極接合体10を、燃料極を下として垂直に積層したとき、その最も上に位置する膜電極接合体10は、燃料極側のガスケット部材3と、さらに空気極側のガスケット部材3とにスペーサ1を有するとよい。
比較例1は、ガスケット部材に、スペーサ1を貼り付けない(D)状態を示す。
拡散層4は、導電性が高く、原料ガスの拡散性が高い材料から成る。例えば、金属フイルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられるが、なかでもカーボンペーパ等の多孔質導電体材料が好ましい。拡散層4の厚みは、50μm〜1000μm程度が好ましい。
セパレータ5は、導電性を有し、かつガスを透過しない材料より成る。例えば、耐食処理が施された金属板または焼成カーボン等のカーボン系材料等である。前記セパレータ5は、燃料極となる燃料極触媒層6および空気極となる空気極触媒層7上の拡散層4と面して、それぞれの反応ガス流通用の流路8となる櫛型構造を備えて配置される。この面に対向する面に、冷却水流路を有することも多い。酸化剤ガスおよび燃料ガスはまずセパレータ5の反応ガス流路8を通り、ガス流路8を通るうちに、反応ガスは拡散層4を介して、膜電極接合体1に供給される。
作製には、白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)と水とを混合した後、これに2‐プロパノールと電解質(Nafion分散液、和光純薬工業社製)を加えて撹拌して得たものを用いた。それぞれの混合質量比は1:3:15:2とした。
作製した膜電極接合体を10枚積層し、振動試験機(F−200BM/A−E04エミック社製)を用い、加速度5G、掃引周波数10〜55Hz、左右、奥行き方向、垂直方向それぞれ30分ずつ振動を加えた。
振動試験後、触媒層表面の観察を実施した。振動試験前と比較して、
○:変化が見られなかったもの
×:実験前と比較して、実験後の触媒層に薄い箇所や剥離が観察されたもの
とした。
振動試験後、スペーサを剥離した膜電極接合体の両面に、拡散層(SIGRACET 35BC,SGL)を配置し、日本自動車研究所(JARI)標準セルを用いて耐久性試験を実施した。セル温度は100℃とし、燃料極に加湿水素、空気極に加湿酸素を供給して行った。振動試験を施さず測定した結果Xに対して、
○:10枚の平均値がXと同等か上回る場合
×:10枚の平均値がXを下回る場合
とした。
実施例1におけるスペーサを用いない以外は同じとした。
2・・・電解質膜
3・・・ガスケット部材
4・・・拡散層
5・・・セパレータ
6・・・燃料極触媒層
7・・・空気極触媒層
8・・・ガス流路
10・・・膜電極接合体
20・・・膜電極接合体積層体
Claims (9)
- 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成された燃料極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極触媒層と対向して形成された空気極触媒層と、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の外周部に設けられたガスケット部材とを備える膜電極接合体であって、
前記ガスケット部材の表面に、スペーサが設けられており、
このスペーサが、前記燃料極触媒層または前記空気極触媒層の表面から突出していることを特徴とする膜電極接合体。 - 前記スペーサが、前記ガスケット部材から剥離することが可能であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記スペーサが、前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の上部に存在しないように設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体。
- 前記スペーサの厚みが、0.2mm以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
- 前記ガスケット部材および前記スペーサが開口部を備える枠型であり、前記ガスケット部材および前記スペーサの開口部の形状および大きさが同一であり、前記ガスケット部材の開口部および前記スペーサの開口部の位置が一致することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
- 前記スペーサの外表面に、粘着層を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
- 前記燃料極触媒層および前記空気極触媒層の表面に、拡散層を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
- 前記ガスケット部材の表面と、前記拡散層の表面とが面一であることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の膜電極接合体を積層したことを特徴とする膜電極接合体積層体。
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