JP2015050134A - Membrane electrode assembly for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の膜電極接合体に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell.
電解質膜及びこの電解質膜の両面に形成された触媒層を含む膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に形成されたガス拡散層とを含む燃料電池において、膜電極接合体の周縁部の機械的強度を補強するために、膜電極接合体の周縁部とガス拡散層との間に額縁状補強フィルムを挟持し、触媒層と補強フィルムとを接着性ポリマーで接着したものが知られている(特許文献1)。 In a fuel cell including an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly including a catalyst layer formed on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer formed on both sides of the membrane electrode assembly, a peripheral portion of the membrane electrode assembly is provided. In order to reinforce the mechanical strength, a frame-shaped reinforcing film is sandwiched between the periphery of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, and the catalyst layer and the reinforcing film are bonded with an adhesive polymer. (Patent Document 1).
しかしながら、上記従来技術のように膜電極接合体の周縁部とガス拡散層との間に額縁状補強フィルムを挟持すると、ガス拡散層の外周端部に補強フィルムの段差が生じるためガス拡散層の外周端部が剥がれるおそれがある。 However, when the frame-shaped reinforcing film is sandwiched between the peripheral edge portion of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer as in the above-described prior art, a step of the reinforcing film is generated at the outer peripheral end portion of the gas diffusion layer. There is a risk that the outer peripheral edge may peel off.
本発明が解決しようとする課題は、拡散層の剥がれと発電量の低下を抑制できる燃料電池用膜電極接合体を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that can suppress peeling of the diffusion layer and a decrease in the amount of power generation.
本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第1主面及び第2主面のそれぞれに設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層と、前記カソード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層と、前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層と、を備える燃料電池用膜電極接合体において、前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積が、発電面積に対して3%〜12%である燃料電池用膜電極接合体によって上記課題を解決する。 The present invention provides a polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on each of the first main surface and the second main surface of the polymer electrolyte membrane, and the same outer edge shape as the anode catalyst layer An anode gas diffusion layer provided on the anode catalyst layer so that the outer edge is aligned, and a cathode gas formed in the same outer edge shape as the cathode catalyst layer and provided so that the outer edge is aligned on the cathode catalyst layer A fuel cell comprising: a diffusion layer; and a frame-shaped reinforcing layer provided so that the inner edge overlaps at least one of the outer edge on the anode gas diffusion layer or the outer edge on the cathode gas diffusion layer In the membrane electrode assembly, the overlapping area of the inner edge of the reinforcing layer and the outer edge of the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer is 3% to 12% with respect to the power generation area. To solve the above problems by a fuel cell membrane electrode assembly.
上記発明において、前記補強層の厚さが12.5μm〜125μmであることが好ましい。また、前記補強層を前記アノードガス拡散層上の外縁部及び前記カソードガス拡散層上の外縁部の両方にそれぞれ設けることが好ましい。 In the above invention, the thickness of the reinforcing layer is preferably 12.5 μm to 125 μm. The reinforcing layer is preferably provided on both the outer edge portion on the anode gas diffusion layer and the outer edge portion on the cathode gas diffusion layer.
本発明によれば、補強層の内縁部とガス拡散層の外縁部との重なる面積が発電面積に対して3%以上あるので、補強層の内縁部によってガス拡散層の外縁部を充分に押さえて支持することができ、これによりガス拡散層の外縁部からの剥がれを抑制することができる。一方において、補強層の内縁部とガス拡散層の外縁部との重なる面積が発電面積に対して12%以下であるので、補強層の内縁部によってガス拡散層の外縁部を覆っても、ガス拡散層の外縁部の近傍に供給された燃料は外縁に向かって十分に廻り込み、これにより発電量の低下を抑制することができる。 According to the present invention, since the overlapping area between the inner edge of the reinforcing layer and the outer edge of the gas diffusion layer is 3% or more with respect to the power generation area, the outer edge of the gas diffusion layer is sufficiently suppressed by the inner edge of the reinforcing layer. Thus, peeling from the outer edge portion of the gas diffusion layer can be suppressed. On the other hand, since the area where the inner edge of the reinforcing layer overlaps with the outer edge of the gas diffusion layer is 12% or less of the power generation area, even if the outer edge of the gas diffusion layer is covered by the inner edge of the reinforcing layer, the gas The fuel supplied in the vicinity of the outer edge portion of the diffusion layer sufficiently circulates toward the outer edge, thereby suppressing a decrease in power generation amount.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の一実施の形態に係る燃料電池1は、メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)であり、膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)11と、膜電極接合体11を挟む板状のアノードセパレータ14およびカソードセパレータ15と、アノードセパレータ14の外側の表面に設けられたアノード集電体12及びカソードセパレータ15の外側の表面に設けられたカソード集電体13と、アノードセパレータ14の内側に設けられたガスケット18及びカソードセパレータ15の内側に設けられたガスケット19と、を備える。なお、図1は、膜電極接合体11を挟んで組み立てる前の状態のアノードセパレータ14及びカソードセパレータ15を示し、この状態からアノードセパレータ14とカソードセパレータ15が膜電極接合体11を挟んだ状態で組み付けられる。また図1は単電池の構成を示すが、要求起電力に応じてこの単電池を複数積層した燃料電池を構成してもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A
本例の膜電極接合体11は、水素イオン(陽イオン)伝導性を有する高分子電解質膜111と、アノード触媒層112と、カソード触媒層113と、アノードガス拡散層114と、カソードガス拡散層115とを含む。アノード触媒層112とアノードガス拡散層114がアノード(燃料極)を構成し、カソード触媒層113とカソードガス拡散層115がカソード(空気極)を構成する。
The
高分子電解質膜111は、矩形、円形、楕円形、多角形など燃料電池の外形形状に応じた適宜の形状とされ、アノード触媒層112及びカソード触媒層113は、高分子電解質膜111の外縁より小さい外縁を有する、矩形、円形、楕円形、多角形など適宜の形状とされている。また本例のアノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115は、図1,2に示すように、それぞれアノード触媒層112及びカソード触媒層113の各外縁形状と同じ外縁形状とされ、アノード触媒層112とアノードガス拡散層114は互いの外縁が揃うように積層され、同様にカソード触媒層113とカソードガス拡散層115は互いの外縁が揃うように積層されている。
The
高分子電解質膜111としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜、例えば、米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(商品名,登録商標)、旭硝子(株)社製のFlemion(商品名,登録商標)などを使用することができる。高分子電解質膜111の厚さは特に限定されないが、通常25〜250μmである。
The
アノード触媒層112およびカソード触媒層113は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子(カーボン粉末)と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。これらアノード触媒層112およびカソード触媒層113の厚さは特に限定されないが、通常5〜50μmである。
The
アノード触媒層112およびカソード触媒層113における担体である導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。
As the conductive carbon particles which are carriers in the
アノード触媒層112およびカソード触媒層113における電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される1種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。特にアノード触媒層112にあっては、中間生成物である一酸化炭素が白金触媒を被毒する問題があるため、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノード側とカソード側に同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。
As an electrode catalyst in the
アノード触媒層112およびカソード触媒層113に含有されて、上記触媒担持粒子に付着させる上記高分子電解質としては、高分子電解質膜111を構成する高分子電解質を用いることができる。アノード触媒層112およびカソード触媒層113ならびに高分子電解質膜111を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。例えば、上述した米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(商品名,登録商標)、旭硝子(株)社製のFlemion(商品名,登録商標)などを使用することができる。
As the polymer electrolyte contained in the
アノード触媒層112およびカソード触媒層113における高分子電解質は、触媒担持粒子を被覆し、3次元に水素イオン伝導経路を確保するために、アノード触媒層112およびカソード触媒層113を構成する触媒担持粒子の質量に比例した量で、アノード触媒層112およびカソード触媒層113に含まれていることが好ましい。具体的には、アノード触媒層112およびカソード触媒層113に含まれる高分子電解質の質量は、触媒担持粒子質量に対して0.2倍以上、2.0倍以下であることが望ましい。この範囲であれば、高い電池出力を得ることができる。上述のように高分子電解質の質量が0.2倍以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保でき、2.0倍以下であると、フラッディングの回避が可能であり、より高い電池出力を実現することができる。
The polymer electrolyte in the
アノードガス拡散層114およびカソードガス拡散層115は、それぞれアノード触媒層112およびカソード触媒層113の上側に配置され、アノードセパレータ14およびカソードセパレータ15のアノード流路16及びカソード流路17から流入したメタノールや酸素(空気)をアノード触媒層112およびカソード触媒層113効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されず、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層114,115を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料(高分子)を上記基材の内部に分散させて、上記基材は撥水処理を施してもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。アノードガス拡散層114およびカソードガス拡散層115の厚さは特に限定されないが、通常100〜500μmである。
The anode
一対のアノードセパレータ14およびカソードセパレータ15は、膜電極接合体11の外形形状に応じた適宜の外形形状とされ、膜電極接合体11の外側に配置されて、膜電極接合体11を機械的に固定するための導電性を有する部材である。アノードセパレータ14のうちの膜電極接合体11と接触する面には、アノードに燃料であるメタノールを供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのアノード流路16が形成され、同様に、カソードセパレータ15のうちの膜電極接合体11と接触する面には、カソードに酸素(空気)を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのカソード流路17が形成されている。
The pair of
こうしたアノード流路16およびカソード流路17は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ14およびカソードセパレータ15の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路16およびカソード流路17は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。
Although not shown, the
ガスケット18,19は、アノードセパレータ14及びカソードセパレータ15の外形形状に応じた形状とされ、枠状(額縁状)又は環状であり、単電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、それぞれアノードおよびカソード(特にアノードガス拡散層114およびカソードガス拡散層115)の周囲に配置される。図1に示すように、ガスケット18の内縁は、アノード触媒層112の外縁及びアノードガス拡散層114の外縁より外側であって、高分子電解質膜111の外縁より内側に位置する大きさとされている。同様にガスケット19の内縁は、カソード触媒層113の外縁及びカソードガス拡散層115の外縁より外側であって、高分子電解質膜111の外縁より内側に位置する大きさとされている。ガスケット18,19の内縁部がガス拡散層114,115に重なると、その部分のみ過大な厚さになり、燃料漏れの原因となるからである。またガスケット18,19の内縁が高分子電解質膜111より外側であると、厚さが足りずに燃料漏れの原因となるからである。このようなガスケット18,19としては、ゴムなどの当該分野で公知のものを用いることができる。
The
アノード集電体12及びカソード集電体13としては、導電性を有する、たとえば厚さ1〜3mmの金属板(銅板など)に3〜4μmの金コーティングが施されたものを用いることができる。アノード集電体12は導電性を有するアノードセパレータ14の外側の表面に設けられ、カソード集電体13は導電性を有するカソードセパレータ15の外側の表面に設けられる。なお、燃料電池1の組立完成状態において、アノード集電体12は電力負荷の陰極(マイナス)に接続され、カソード集電体13は電力負荷の陽極(プラス)に接続されて燃料電池1からの電力が電力負荷に供給される。
As the anode
以上のように構成された燃料電池1において、上述したアノードセパレータ14のアノード流路16入口にメタノールを供給し、カソードセパレータ15のカソード流路17の入口に空気を供給すると、アノードにおいては、
[数1]
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−
という酸化反応が生じ、カソードにおいては、
[数2]
1/2O2+6H++6e−→3H2O
という還元反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。
In the
[Equation 1]
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
Oxidation reaction occurs, and at the cathode,
[Equation 2]
1 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
The reduction reaction occurs. As a result, a current flows between the anode and the cathode.
さて、本例の膜電極接合体11は、膜電極接合体11の機械的強度を高めるために、アノードガス拡散層114の上面の外縁部に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第1補強層116を有し、カソードガス拡散層115の上面の外縁部に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の第2補強層117を有する。なお、膜電極接合体11の機械的強度を高めるためには第1補強層116及び第2補強層117の両方を備えることが好ましいが、本発明の膜電極接合体としては少なくともいずれか一方を備えればよい。
Now, in order to increase the mechanical strength of the
本例の第1補強層116及び第2補強層117は、所望の剛性を有する材料であれば特に限定されない。たとえばポリエチレンテレフタレートPET、ポリエチレンナフタレートPEN、ポリテトラフルオロエチレンPTFEなどからなるフィルムを用いることができるが、耐熱性、剛性、コスト、接着性などの総合的観点からポリエチレンテレフタレートPET、ポリエチレンナフタレートPENを用いることがより好ましい。
The first reinforcing
本例の第1補強層116及び第2補強層117の一主面(図1,2の互いに対向する主面)には、接着剤が塗布されている。この接着剤としては、高分子電解質膜111及びガス拡散層114,115との間において、ホットプレス機などを用いた加熱加圧による接着が可能であり、且つ燃料電池1の作動温度範囲において接着性が確保できるものであれば特に限定されない。たとえば、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂を主成分とする接着剤を用いることができる。なお、後述するとおり第1補強層116及び第2補強層117は、接着剤の反応温度にて熱プレスにより接着されるため、接着剤の反応温度よりも高い融点を有する材料であることが必要とされる。
An adhesive is applied to one main surface (the main surfaces opposite to each other in FIGS. 1 and 2) of the first reinforcing
特に本例の額縁状第1補強層116は、その内縁部116Aがアノードガス拡散層114の外縁部114Aに重なるように積層され、これら重なり合った面積S1が、発電面積S0に対して3%〜12%(=S1/S0)となるように設けられている。同様に、額縁状第2補強層117は、その内縁部117Aがカソードガス拡散層115の外縁部115Aに重なるように積層され、これら重なり合った面積S1が、発電面積S0に対して3%〜12%(=S1/S0)となるように設けられている。第1補強層116とアノードガス拡散層114との重なり条件と、第2補強層117とカソードガス拡散層115との重なり条件は同じであるため、第1補強層116とアノードガス拡散層114との関係を、図2を参照しながら説明する。
In particular the frame-shaped first reinforcing
本例にいう発電面積とは、既述したアノードにおける酸化反応とカソードにおける還元反応が有効に生じ得る面積であり、アノード触媒層112及びカソード触媒層113それぞれの面積である。これに対して、第1補強層116の内縁部116Aとアノードガス拡散層114の外縁部114Aとが重なり合った面積S1とは、図2の下図(平面図)に示すように、アノードガス拡散層114の面積S2から第1補強層116の内縁が構成する矩形状開口部の面積S3を減算した面積(S1=S2−S3)である。
The power generation area referred to in this example is an area where the oxidation reaction at the anode and the reduction reaction at the cathode described above can occur effectively, and are the areas of the
本例の膜電極接合体11のように、アノードガス拡散層114の上面に第1補強層116を重ねると当該アノードガス拡散層114の外縁からの剥がれが抑制される一方、アノードガス拡散層114の外縁部114Aの上面が第1補強層116にて覆われるため見かけ上の発電面積S0が減少することになる。しかしながら、アノードガス拡散層114の外縁部114Aに導入されたメタノールや酸素は当該アノードガス拡散層114の拡散作用によってアノード触媒層112の外縁まで廻り込んで到達するので、本発明者らはこの重なり面積を適切な値に設定することでアノードガス拡散層114の剥がれ防止と発電量低下防止の両立を図れることを知見した。
As in the
すなわち、第1補強層116の内縁部116Aとアノードガス拡散層114の外縁部114Aとが重なり合った面積S1を発電面積S0の3%以上に設定すれば、アノードガス拡散層114の剥がれが有効に防止できる一方、第1補強層116の内縁部116Aとアノードガス拡散層114の外縁部114Aとが重なり合った面積S1を発電面積S0の12%以下に設定すれば、第1補強層116を設けないものと同等の発電量が得られ、第1補強層116を設けることによる発電量の低下を防止することができる。なお、第2補強層117とカソードガス拡散層115との重なり条件についても同様である。
That is, if the area S 1 where the
第1補強層116及び第2補強層117の厚さは、接着剤を含めて12.5〜125μmであることが好ましい。第1補強層116及び第2補強層117の厚さが12.5μm未満であっても膜電極接合体11の機械的強度を向上させるといった目的は達成できるが、折れ易いという欠点があり作業性が損なわれる。また125μmを超えると、第1補強層116及び第2補強層117の各内縁に生じる段差が大きくなるので、第1補強層116にあってはアノード触媒層112及びアノードガス拡散層114の端部に空洞が発生し、第2補強層117にあってはカソード触媒層113及びカソードガス拡散層115の端部に空洞が発生し、起電力が低下する可能性がある。
It is preferable that the thickness of the
本例の第1補強層116及び第2補強層117の外縁部は、高分子電解質膜111の端部を覆うように延在し、両補強層116,117が貼り合わされている。これにより、高分子電解質膜111、触媒層113,114及びガス拡散層115,116を含めた膜電極接合体11の機械的強度が向上する。なお、本発明の膜電極接合体にあっては第1補強層116及び第2補強層117の少なくとも一方を備えれば機械的強度の向上の目的は達成できるが、補強層116,117とガス拡散層115,116及び高分子電解質膜111との貼り合わせは、基本的に異種材料の貼り合わせであることから、動作温度に応じて反りが生じる可能性がある、したがって、本例のように第1補強層116及び第2補強層117の両方を設けることが最も好ましい。
The outer edge portions of the first reinforcing
次に本例の膜電極接合体11の製造方法について説明する。図3は、ホットプレス機を用いて本例の膜電極接合体11を製造する工程を説明するための断面図である。ホットプレス機5は、位置が固定された第1熱盤51と、当該第1熱盤51に対して加圧シリンダ55によって上下移動する第2熱盤52とを備え、第1熱盤51及び第2熱盤52はそれぞれ熱源に接続されて所望の温度に加熱されるように構成されている。
Next, the manufacturing method of the
本例の膜電極接合体11は、治具53にセットされたのちこの治具53がホットプレス機5にセットされる。治具53は、四隅に位置決め固定用ピン54が設けられ、一方、高分子電解質膜111、第1補強層116及び第2補強層117の四隅には位置決め固定用ピン54のそれぞれに対応した位置に位置決め固定用孔111h,116h,117hが形成されている。
After the
本例の膜電極接合体11を製造するに際し、予め高分子電解質膜111の両主面の所定位置にアノード触媒層112及びカソード触媒層113を形成する。これは、高分子電解質膜111の両主面に、アノード触媒層112及びカソード触媒層113を構成する材料をスプレー塗装し、乾燥することにより行うことができる。またこれに代えて、高分子電解質膜111の両主面に、アノード触媒層112及びカソード触媒層113を熱転写することにより行うこともできる。
When manufacturing the
ホットプレス機5の治具53に対しては、膜電極接合体11を構成する各層の積層順にセットする。すなわち、第2補強層117の4つの位置決め固定用孔117hを治具53の4つの位置決め固定用ピン54に挿入しながら治具53に載置し、次いで第2補強層117の内縁の開口部を位置決め基準にしてカソードガス拡散層115を第2補強層117の上に載置する。
The
以下においても同様であるが、位置決め固定用ピン54と位置決め固定用孔111h,116h,117hとの位置合わせを用いないで、第2補強層117の内縁の開口部を位置決め基準にしてカソードガス拡散層115を第2補強層117の上に載置するには、固定カメラによって治具53に載置された第2補強層117と、次にセットしようとしているカソードガス拡散層115を撮影し、第2補強層117の開口部の画像位置に基づいてカソードガス拡散層115の画像位置を画像解析しながらロボットなどを制御し、所定位置になるようにカソードガス拡散層115を第2補強層117の上に載置すればよい。
The same applies to the following, but cathode gas diffusion is not performed using the positioning fixing pins 54 and the
次いで、両主面にアノード触媒層112及びカソード触媒層113が設けられた高分子電解質膜111の4つの位置決め固定用孔111hを治具53の4つの位置決め固定用ピン54に挿入しながら治具53に載置する。次いで、アノード触媒層112を位置決め基準にしてアノードガス拡散層114をアノード触媒層112の上に載置する。このセットは固定カメラを用いた画像解析により行うことができる。次いで、第1補強層116の4つの位置決め固定用孔116を治具53の4つの位置決め固定用ピン54に挿入しながら治具53に載置する。
Next, the jig is inserted into the four positioning fixing pins 54 of the
なお、必要に応じてアノード集電体12及びカソード集電体13を一体成形してもよい。この場合は、上述した第2補強層117とカソードガス拡散層115との間にカソード集電体13をセットし、アノードガス拡散層114と第1補強層116との間にアノード集電体12をセットすればよい。
Note that the anode
以上のようにして膜電極接合体11を構成する各層を治具53にセットしたら、これをホットプレス機5にセットし、第1熱盤51及び第2熱盤52を所定温度に加熱したのち加圧シリンダ55を駆動して第2熱盤52を下降し、所定圧を所定時間だけ印加する。これにより、第1補強層116及び第2補強層117に形成された接着剤が反応して両補強層116,117が強固に接着することになる。またこれにより、両主面にアノード触媒層112及びカソード触媒層113が設けられた高分子電解質膜111とガス拡散層114,115も強固に接着されることになる。
After each layer constituting the
以下、本発明をさらに具体化した実施例と、当該実施例に対する比較例を挙げて本発明を説明する。ただし、以下の実施例の数値や材質などの諸条件は本発明の単なる一例であって本発明を何ら限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples that further embody the present invention and comparative examples for the examples. However, various conditions such as numerical values and materials in the following examples are merely examples of the present invention and do not limit the present invention.
《実施例1》
高分子電解質膜111として、縦200mm、横200mm、厚さ125μmのパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標))を用い、
アノード触媒層112として、縦146mm、横128mm、厚さ40μmの白金・ルテニウム触媒(田中貴金属社製TEC66E50,白金・ルテニウム担持量50重量%)を用い、
カソード触媒113として、縦146mm、横128mm、厚さ20μmの白金触媒(田中貴金属社製TEC10E70TPM,白金担持量70重量%)を用い、
アノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115として、縦146mm、横128mm、厚さ235μmの黒鉛繊維不織布(MFCテクノロジー社製カーボンファイバペーパSIGRACET GDL25BC)を用い、
第1補強層116及び第2補強層117として、外縁の縦210mm、外縁の横210mm、内縁の縦140mm、内縁の横123mm、厚さ25μmのポリエチレンナフタレートフィルム(帝人デュポンフィルム社製テオネックス)を用いた。本例の発電面積は、縦146mm×横128mm=18688mm2、第1補強層116(又は第2補強層117)の内縁部とアノードガス拡散層114(又はカソードガス拡散層115)の外縁部との重なり合った面積は1468mm2、その面積割合は8%であった。
Example 1
As the
As the
As the
As the anode
As the first reinforcing
まず高分子電解質膜111の両主面に、アノード触媒層112及びカソード触媒層113をスプレー塗装し、乾燥させた。そして、図3に示すように第2補強層117、カソードガス拡散層115、アノード触媒層112及びカソード触媒層113が形成された高分子電解質膜111、アノードガス拡散層114、第1補強層116の順で積層し、ホットプレス機5を用いて、温度130℃、圧力3MPaで5分間の加熱加圧処理を行った。
First, the
こうして得られた膜電極接合体11を目視観察し、ガス拡散層114,115の剥がれの有無を確認した。また得られた膜電極接合体11を用いて燃料電池1を組み立て、その際の作業性として把持したときに膜電極接合体11に折れが生じるか否かを確認した。さらに組み立てられた燃料電池にメタノールと空気を供給して動作試験を行い、単電池の起電力を測定した。この結果を表1に示す。
The membrane /
《実施例2〜5》
実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の内縁の縦の寸法と横の寸法を変えて、第1補強層116及び第2補強層117の内縁部とアノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115の外縁部との重なり合った面積の面積割合を,3%,5%,10%,12%としたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を表1に示す。
<< Examples 2 to 5 >>
By changing the vertical and horizontal dimensions of the inner edges of the first reinforcing
《比較例1》
実施例1〜5の比較例として、実施例1の第1補強層116及び第2補強層117を省略したこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。この結果を表1に示す。
<< Comparative Example 1 >>
As a comparative example of Examples 1 to 5, a
《比較例2〜4》
実施例1〜5の比較例として、実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の内縁の縦の寸法と横の寸法を変えて、第1補強層116及び第2補強層117の内縁部とアノードガス拡散層114及びカソードガス拡散層115の外縁部との重なり合った面積の面積割合を、1%,2%,15%としたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を表1に示す。
<< Comparative Examples 2-4 >>
As a comparative example of Examples 1 to 5, the first reinforcing
《考察1》
実施例1〜5及び比較例1〜4の結果から、補強層116,117を省略した比較例1においてはガス拡散層114,115がほぼ全周にわたって剥がれが発生し、また補強層116,117とガス拡散層114,115との重なる面積割合が2%以下の比較例2,3においても一部においてガス拡散層114,115の剥がれが発生した。またこの面積割合が15%以上の比較例4においては剥がれの不具合は発生しなかったが単電池の起電力が比較例1の補強層116,117のないものに比べて88%にまで低下した。
<
From the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4, in Comparative Example 1 in which the reinforcing
これに対して、補強層116,117とガス拡散層114,115との重なる面積割合が3%〜12%である実施例1〜5の膜電極接合体11にあっては、ガス拡散層114,115の剥がれは何ら観察されなかった。また起電力についても、最小の実施例5でも、補強層116,117のない比較例1に比べて96%にまでしか低下しなかった。
On the other hand, in the
《実施例6〜10》
実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の厚さ寸法を12.5μm、50μm、75μm、100μm、125μmにそれぞれ変えたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を実施例1とともに表2に示す。
<< Examples 6 to 10 >>
The
《比較例5〜7》
実施例1,6〜10の比較例として、実施例1における第1補強層116及び第2補強層117の厚さ寸法を10μm、188μm、250にそれぞれ変えたこと以外は実施例1と同じ条件で膜電極接合体11を作製し、同じ評価を行った。これらの結果を実施例1とともに表2に示す。
<< Comparative Examples 5-7 >>
As a comparative example of Examples 1 and 6 to 10, the same conditions as in Example 1 except that the thickness dimensions of the first reinforcing
《考察2》
実施例1,6〜10及び比較例5〜7の結果から、補強層116,117の厚さが10μmと薄い比較例5にあっては膜電極接合体11を把持すると折れ曲がって形状が安定せず、その後の組立作業性が著しく悪かった。また補強層116,117の厚さが188μm以上になると、膜電極接合体11の作業性は良好であるものの、単電池の起電力が比較例1の補強層116,117のないものに比べて、比較例6では90%、比較例7では76%にまで低下した。
<Discussion 2>
From the results of Examples 1, 6 to 10 and Comparative Examples 5 to 7, in Comparative Example 5 where the thickness of the reinforcing
これに対して、補強層116,117の厚さ寸法が12.5μm〜125μmである実施例1,6〜10の膜電極接合体11にあっては、膜電極接合体11の作業性は良好で、しかも単電池の起電力についても、最小の実施例10でも、補強層116,117のない比較例1に比べて99%にまでしか低下しなかった。
On the other hand, in the
1…燃料電池
11…膜電極接合体
111…高分子電解質膜
112…アノード触媒層(燃料極)
113…カソード触媒層(空気極)
114…アノードガス拡散層
115…カソードガス拡散層
116…第1補強層
117…第2補強層
12…アノード集電体
13…カソード集電体
14…アノードセパレータ
15…カソードセパレータ
16…アノード流路
17…カソード流路
18,19…ガスケット
5…ホットプレス機
51…第1熱盤
52…第2熱盤
53…治具
54…位置決め固定用ピン
55…加圧シリンダ
DESCRIPTION OF
113 ... Cathode catalyst layer (air electrode)
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記高分子電解質膜の第1主面及び第2主面のそれぞれに設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、
前記アノード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該アノード触媒層上に外縁が揃うように設けられたアノードガス拡散層と、
前記カソード触媒層と同じ外縁形状に形成され、当該カソード触媒層上に外縁が揃うように設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノードガス拡散層上の外縁部又は前記カソードガス拡散層上の外縁部の少なくとも一方に、その内縁部が重なるように設けられた額縁状の補強層と、を備える燃料電池用膜電極接合体において、
前記補強層の内縁部と前記アノードガス拡散層上または前記カソードガス拡散層上の外縁部との重なる面積が、発電面積に対して3%〜12%である燃料電池用膜電極接合体。 A polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on each of the first main surface and the second main surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode gas diffusion layer formed in the same outer edge shape as the anode catalyst layer and provided so that the outer edge is aligned on the anode catalyst layer;
A cathode gas diffusion layer formed in the same outer edge shape as the cathode catalyst layer and provided so that the outer edge is aligned on the cathode catalyst layer;
A fuel cell membrane electrode assembly comprising: a frame-shaped reinforcing layer provided on at least one of an outer edge portion on the anode gas diffusion layer and an outer edge portion on the cathode gas diffusion layer so that the inner edge portion overlaps the outer edge portion. In
A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein an overlapping area between an inner edge portion of the reinforcing layer and an outer edge portion on the anode gas diffusion layer or the cathode gas diffusion layer is 3% to 12% with respect to a power generation area.
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WO2022116912A1 (en) * | 2020-12-03 | 2022-06-09 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Fuel cell membrane electrode sealing assembly, encapsulation process, and device for continuous encapsulation |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009099537A (en) * | 2007-09-27 | 2009-05-07 | Dainippon Printing Co Ltd | Electrolyte membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell using the same |
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- 2013-09-04 JP JP2013182790A patent/JP2015050134A/en active Pending
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